晶振(晶体振荡器)的基础知识

晶振一般指晶体振荡器。晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片），石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。在其封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

 

晶振的工作原理

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器。若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十豪亨到几百豪亨。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100欧。

 

晶振是怎么产生时钟信号的？

晶体谐振器，是由石英晶体片或陶瓷晶体片经过加工并镀上电极而做成的。石英晶体或陶瓷晶体片有一个特殊的特性——压电效应，就是当我们在晶体上施加电压时，晶体中的晶格在电场力的作用下内部会出现较强的内应力而发生变形，晶体在电场的作用下，其内应力和形变都会发生变化，产生机械振动。当电场消失后，晶体的变形也会随之消失。当我们给晶振通入一个稳定的交变信号，晶振就会产生稳定的机械振动，下图所示为晶振的符号和等效电路。

晶振两端施加的交变信号频率等于晶振谐振频率时，晶振的电抗为0呈现电阻特性。谐振频率也是晶振等效电路中C1,L1,R1串联支路的谐振频率，故也称串联谐振频率。

晶振的反谐振频率指的是整个等效电路的谐振频率也称并联谐振频率。当输入信号的频率接近并联谐振频率时，晶振的电抗趋于无穷大。

从Fa到 Fs之间的区域就是通常所谓的“并联谐振区”也是晶振正常工作的区域了。在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180 °的相移。

那么在实际电路设计中，谁来提供稳定的交变信号呢？就是单片机（芯片）了。具体的参考电路如下图所示。通常皮尔斯振荡电路的晶振振荡电路，其实就是由单片机内部的反相器和反馈电阻，与外部的两个电容组成。有了芯片提供突变信号晶振就可以产生频率稳定的振荡信号了。

 

晶振的分类

一般晶振分为两种：有源晶振、无源晶振。有源晶振也叫晶体振荡器，Oscillator。无源晶振有时也叫无源晶体，Crystal，晶体谐振器。简单来说，有源晶振自己供上电就能输出振荡信号；无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。

晶振如何选型？

一般情况下，我们需要根据自己的应用，选择晶振的类型，比如是有源的还是无源的。如果是无源的话，需要关注下面这些参数：

1）标称频率：在晶振的外壳上可以找频率，不同晶振对应不同的频率，选择多大频率的晶振，取决于系统的要求。

2）精度：指的是晶振的频率相对于标称值的最大允许偏差，一般用ppm来表示，即百万分之一，值越小精度越高。

3）ESR 等效串联电阻：晶振的内阻，和晶振的功耗有关系，如果ESR太高，功耗会增加，甚至无法起振。如果ESR越小，成本也会有所增加，因此可以根据实际情况进行选择。