晶振电路有什么用？晶振电路图解

晶体振荡器是一种使用逆压电效应的电子振荡器电路，即当电场施加在某些材料上时，它会产生机械变形。因此，它利用压电材料的振动晶体的机械共振来产生具有非常精确频率的电信号。晶体振荡器具有高稳定性、品质因数、小尺寸和低成本，这使得它们优于其他谐振器，如LC电路、陶瓷谐振器、转叉等。电路符号：晶振是电子电路中最常用的电子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z”表示，单位为Hz。

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，简称为石英晶体或晶体、晶振。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。

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容称为静电电容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。实际上，晶体的行为就像一个串联RLC电路，由组件组成：1.低阻值电阻RS 2.大值电感LS 3.小值电容器CS，然后将与其电极Cp的电容并联。

晶振的压电效应

我们把晶振的外壳去除，可以看到内部是一种半透明的材质，外加两个引出的电极引脚：这种半透明的材质叫做“石英”晶体(Quatz)。石英由硅元素(Si)和氧元素(O)构建而成，结晶时，其原子在空间上排列非常规则(白色代表Si，红色代表O)：由于这种空间上的特殊排列组合，在没有被挤压的时候，晶格的中心位置上正负电抵消，是0电势，但是当受到外在压力时，晶格的中心位置上的电势会偏移，从而产生电压。

这种现象就是“压电效应”：当对压电材料施以压力时，能产生电;反过来，当给压电材料通电，能产生形变。

晶振的阻抗特性

晶振本身只是一种单纯的压电材料，为了电学上的计算分析，我们绘制它的等效电路：等效电路分为两部分：一部分是Lm、Cm、Rm构建的串联电路，这部分代表着晶振在发生形变振动时的效果，老外也将其称为晶振的运动(Motional)参数;另一部分是一个C0并联在LCR电路上，这个C0的容值比Cm要大很多，代表了两个电极引脚产生的分布或寄生电容。

这种电路组合意味着晶振有两个谐振频率，一个是由Lm、Cm、Rm串联电路形成的谐振频率Fs;另一个是Lm、Cm、Rm整体与C0并联电路形成的谐振频率Fp：

当晶振上通过的信号频率：

· 小于Fs时，电路更显容性;

· 等于Fs时，容性阻抗和感性阻抗相互抵消，电路呈现纯阻性，电路整体阻抗最小;

· 大于Fs时，电路更显感性;

· 等于Fp时，C0与Lm、Cm、Rm(显感性)形成LC并联谐振电路，电路呈现纯阻性，电路整体阻抗最大;

· 大于Fp时，电路更显容性;

晶振的振荡电路——皮尔斯振荡器(Pierce Oscillator)

说了这么多，你应该理解了，平时所谓的“晶振”，只是一种基于压电材料的元器件，而且计算上就把它当做是LC电路来分析。作为LC类被动型元器件，它可以用于滤波或者相移，但本身不是振荡器，还需要依靠额外的电路才能获得稳定振荡。这就要说到振荡器模型：

晶振的角色肯定是位于反馈网络里的。根据Barkhausen(巴克豪森)准则，在振荡频率上，晶振要实现反馈信号和输入信号(热噪声)满足0相位差，起到正反馈的作用。怎么实现呢?这就说到皮尔斯振荡器了：如STM32就是这样的，但也有例外的单片机。两个C1和C2统称为负载电容(通常为数十个pF)，Rs为串联电阻，Rf为反馈电阻，运放作为反向器。

由于运放作为反向器，对信号相位改变180°。那么，整个Rs、C1、C2、晶振构成的反馈网络的整体相移也需是180°。其中，Rs和C1构成一个RC电路，具体相移多少由两者参数而定，但RC电路相移肯定小于90°。这意味着晶振和C2上的相移必定要大于90°才行。

只有当晶振作为一个电感的时候，晶振和C2上的相移才能大于90°。也就是说，晶振的振荡频率要求在Fs和Fp之间。实际上，所谓的晶振“标称频率”，如4MHz、8MHz、16MHz，都是在指附加了某个负载电容情况下测得的。