晶振电路的原理和作用

晶振是干什么用的?晶振的作用和原理，一文带你搞懂晶振

这里主要是给大家讲一下什么是晶振?晶振是怎么制成的?晶振的内部结构，晶振的工作应用以及影响晶振频率相关的参数。

一、什么是晶振?

定义：晶振一般指石英晶体振荡器，也叫晶体振荡器。

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。

晶振实物图

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，晶振的图形符号如图所示。

晶振的电路符号

二、晶振是怎么制成的?--如何从石英毛坯变成晶振?

石英毛坯在振荡电路中用作谐振元件，当受到电压电位的影响时，它将开始以其“基本频率”振动和振荡，这是一种相互关系：电路支持机械共振，反之亦然。晶体用于振荡器的反馈回路中，以限制振荡器的频率。

下图为从原始石英晶体材料到封装为最终晶振图。

从原始石英晶体坯料到封装为最终的晶振图

三、晶振内部是怎么样的?

如下图所示，整个晶体被金属外壳覆盖。

晶振内部图

拆下这个金属外壳后，我们可以看到一个像毯子一样的网，以保护晶体免受机械损坏。

晶振内部图

在下图中，我们可以看到外部金属外壳内的网状外壳和晶振放置在其中。

晶振内部图

去除金属覆盖物后，我们可以看到石英晶体板及其与外部电极的连接方式，如下图所示。

晶振也就是晶振振荡器，是一种利用晶体作为频率选择元件来获得逆压电效应的电子振荡器。它利用具有压电特性的振动晶体的机械共振，以获得具有高精度频率的电信号。晶体振荡器被认为优于陶瓷谐振器，因为它们具有更高的稳定性、更高的质量、更低的成本和更小的尺寸。下面主要对晶体振荡器相关技术术语简要介绍，供大家参考。

1.共振频率

在晶体谐振器的共振特性中，共振频率是两点阻抗变为电阻时的较低频率点。

图. 晶体谐振器共振特性

阻抗Z变为电阻元件时，两点之间的频率。在这两点上，相为0。其中频率较低的点称为共振频率。另外一个点称为反共振频率。

2.等效电路

下图所示的是由电阻、电感和电容组成的晶体谐振器的共振特性。R1在等效电路中称为等效串联电阻，是晶体谐振器的重要特性。

3.等效串联电阻 (R1)

晶体谐振器等效电路串联支路中的电阻。

4.负载电容 (Cs)

让晶体谐振器具有负载共振频率的电容。在实际振荡电路中，连接晶体谐振器的实际电容是由外部负载电容、IC杂散和PCB等产生的。也可用下述公式进行计算:

5.负载共振频率 (fL)

负载共振频率是晶体谐振器中负载电容串联的共振频率，这一频率比共振频率高。由于实际值与晶体谐振器规范中额定值之间的电容差，所以实际和额定振荡频率间存在频差。

也可用下述公式进行计算:

6.拉敏性

上面的图显示了负载电容变化产生的负载共振频率 (fL) 偏移。此图中每个点的斜率就是拉敏性。参见下面的图。在负载电容为6pF时，拉敏性是-17ppm/pF。(负载电容变化1pF时，频移为17ppm)。也可用下述公式进行计算:

7.导纳圆

下图是在导纳平面坐标 (电导—电纳) 上绘制的晶体谐振器共振特征。由于画成了圆形，因此称为导纳圆。在频率低于共振频率时，导纳靠近原点。在频率增加时，导纳按顺时针方向画圆。

8.振荡裕量

即振荡停止的裕量，这也是振荡电路中zui重要的术语。振荡裕量取决于组成振荡电路的元件 (晶体谐振器、MCU、电容器以及电阻器) 。村田推荐维持5倍或更大的振荡裕量。更详细内容请关注本系列讲座第二讲。

9.负阻 (-R)

负阻是用阻抗表示的振荡电路信号放大能力。由于其作用与电阻相反，所以是负值。负阻较高值小说明振荡电路的放大能力低。振荡电路中的负阻取决于CMOS逆变器的特性、反馈电阻、阻尼电阻和外部负载电容。

10.驱动功率

驱动功率是指振荡电路中晶体谐振器的功耗。它不仅取决于晶体谐振器的等效串联电阻，还取决于组成振荡电路的元件 (MCU、电容和电阻) 。在驱动功率超额时，频率—时间性能会出现不正常特性。在设计振荡电路时，zui好检查一下驱动功率。

11.C-MOS逆变器

C-MOS是互补MOS，组成了相互连接的p和n型MOSFET。在下图中起到逆变器 (逻辑逆变电路NOT) 的作用。

晶振有什么用?

晶振可为电路提供基本的时钟信号，通常晶振应用在电路系统中，有利于各部分保持同步，没有晶振支持，部分微处理芯片将无法工作，晶振通常与锁相环电路配套使用，以支持电路系统所需的时钟频率运行。常应用在单片机、DSP、ARM等电路及接口。

晶振电路由哪部分组成?

通常晶振振荡电路是在反相放大器两端接入，晶振两端并联连接两个电容，每个电容的另一端再连接到地，将形成一个正弦波振荡电路。

晶体振荡器分为有源晶振和无源晶振。有源晶振是一个完整的谐振振荡器。无源晶振需借助芯片内部的时钟电路产生振荡，其自身无法振荡。