HCI杭晶电子-技术篇：晶振外挂负载电容与晶振负载关系

在电子电路中，晶振是最常见的时钟源之一。为了使晶振正常起振并稳定运行，必须根据其负载电容（Load Capacitance, 简称 CL）合理设计电路中的外挂负载电容。不恰当的电容匹配会导致晶振起振困难、频率偏差增大，甚至系统不稳定。

本文将详细解析晶振负载电容的含义、外挂电容的计算方法，以及电路设计中的实际注意事项。

 

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一、什么是晶振的负载电容（CL）？

晶振厂商在数据手册中通常会标出一个标称负载电容值 CL，比如 18pF、20pF、12pF 等，这代表晶体在该电容负载下被调校以达到其标称振荡频率。

�� 换句话说，只有在等效负载电容 = CL 的情况下，晶振才能输出精确的频率。

 

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二、外挂电容如何影响负载电容？

晶振电路常见如下形式：

▪ C1 和 C2 是外挂到地的两个电容（一般是贴片电容）；

▪ XTAL 两端分别接至晶振的两个引脚；

▪ 实际上，晶振的等效负载电容 CL 是由 C1 和 C2 通过串联，再考虑 PCB 板和封装引入的寄生电容 Cp 得到的。

 

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三、计算公式：如何根据 CL 推算外挂电容值？

等效负载电容（CL）的公式如下：

其中：

▪ C1、C2：外接到地的电容；

▪ Cp：PCB 板上走线、封装等引入的寄生电容（通常为 2pF ~ 5pF，可通过仿真或经验估算）；

▪ CL：晶振 datasheet 中给出的标称负载电容。

【举例说明】

假设晶振规格为 CL = 18pF，PCB 寄生电容 Cp ≈ 5pF，要反推合适的 C1 和 C2：

1.先代入公式：

2.假设 C1 = C2 = C，公式简化为：

3.解得：

✅ 所以，推荐外挂电容 C1 = C2 = 27pF（标准值）。

 

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四、为什么外挂电容不匹配会引发问题？

1.频率偏移：如果外挂电容过小或过大，会使晶振偏离其标称频率，造成系统时钟偏差；

2.起振困难或不稳定：负载过重会降低增益，可能导致晶振无法起振或频率抖动；

3.功耗增加：不合适的负载会导致晶振电路能量消耗增加；

4.EMI增加：振荡不稳定时可能产生杂散频率，影响系统电磁兼容性。

 

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五、设计建议与工程实践

1. 认真查看晶振 datasheet

▪ 明确 CL 值；

▪ 明确建议的电路拓扑；

▪ 查是否推荐外挂电容值范围。

2. 考虑实际板子环境

▪ 使用 PCB 仿真或经验估算 Cp；

▪ 若使用高速或精密时钟（如通信系统、MCU主频>100MHz），建议做精确计算或测试。

3. 使用对称电容

▪ 一般建议 C1 = C2，使频率居中、噪声均衡；

▪ 若有特殊匹配需求，也可不对称设计。

4. 调试时可用贴片电容阵列

▪ 可通过贴片电容（如10pF、15pF、22pF、27pF等）试配；

▪ 利用频谱仪或示波器检查输出稳定性和频率准确性。

 

 

 

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六、常见问题FAQ

问题	解答
若 CL=12pF，外挂电容该选多大？	假设 Cp=5pF，则 C1=C2≈14pF
为什么有些MCU不要外挂电容？	有些晶振电路内部已集成负载电容（如STM32），无需外接
外挂电容不匹配会烧晶振吗？	通常不会烧坏，但可能起振失败或频率错误

 

结语

晶振的外挂负载电容设计是一个小而关键的细节，直接影响时钟系统的稳定性与准确性。理解 CL 与 C1/C2 之间的计算关系，并根据实际 PCB 寄生电容调整参数，是实现稳定起振和精准频率的关键。

在高速数字系统、通信设备或对时钟要求极高的系统中，合理选择和匹配晶振负载电容是一项必须认真对待的工程任务。

 

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