一文搞懂什么是晶振

晶振是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，主要用于为电子设备提供稳定的时钟信号‌。

晶振的基本构成是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，并在其两个对应面上涂覆银层作为电极，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。当在石英晶体的两个电极上加一电场时，晶片会产生机械变形;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。在特定的频率下，由于外加交变电压的作用，晶片的机械振动振幅会明显增大，产生压电谐振现象，从而输出稳定的振荡频率。

‌类型与应用‌：

‌按频率分类‌：低频晶振主要用于时钟信号、计时器、传感器等领域;高频晶振主要应用于无线通信、射频、蓝牙、Wi-Fi等领域;微波晶振适用于卫星通信、雷达、无线电等高端领域。

‌按封装形式分类‌：插件晶振多用于旧款设备或需要经常更换的场合;贴片晶振具有体积小、重量轻、耐震性强的特点，被广泛应用于现代电子设备中。

‌按工作方式分类‌：无源晶振需要借助于外部的时钟电路才能产生振荡;有源晶振则是一个完整的振荡器，自身就能产生稳定且精确的振荡信号。

晶振在电子设备中起着至关重要的作用，它的性能直接影响到设备的稳定性和可靠性。因此，在选择晶振时，需要根据应用需求进行仔细考虑。

01-晶振是什么?

晶振，全称晶体振荡器，是指从石英晶体上切下的薄片，经过特殊工艺加工后，与振荡电路相结合，形成一种能够产生稳定振荡频率的电子元件。其产品通常被金属外壳所封装，以增强其物理稳定性和电磁屏蔽效果。同时，也有部分产品采用玻璃壳、陶瓷或塑料进行封装，以满足不同的应用需求。

02-晶振的工作原理

石英晶体振荡器，一种利用石英晶体的压电效应构建的谐振器件，其核心构造包括：从一块石英晶体上按照特定方位角切下的薄片，其两面涂敷银层作为电极，并通过引线与管脚相连，再配以封装外壳，便构成了石英晶体谐振器。当在石英晶体的电极上施加电场时，晶片会产生机械变形;反之，若在晶片两侧施加机械压力，则会在相应方向上产生电场。这种物理现象正是我们所说的压电效应。

若在晶片的两极间施加交变电压，晶片会因此产生机械振动，而这一机械振动又会反过来在晶片内引发交变电场。在常规条件下，晶片的机械振动幅度和交变电场的强度都相当微小。然而，当外加交变电压的频率达到某一特定值时，这些振幅会显著增大，远超其他频率下的振幅，这一现象被称为压电谐振。这种谐振现象与LC回路的谐振颇为相似，其谐振频率与晶片的切割方式、几何形状以及尺寸大小紧密相关。

当晶体处于静止状态时，它可以被视作一个平板电容器，被称为静电电容C。这个电容的大小受到晶片几何尺寸和电极面积的影响，通常其值介于几个皮法到几十皮法之间。然而，一旦晶体开始振动，其机械振动的惯性便可以用电感L来近似表示。通常，L的值位于几十毫亨到几百毫亨的范围内。同时，晶片的弹性则可以通过电容C来等效，但值得注意的是，C的值非常小，通常在0.0002至0.1皮法之间。此外，晶片在振动过程中因摩擦而产生的损耗可以用电阻R来表示，其数值大约为100欧。

由于晶片的等效电感值很大，而电容C却非常小，加上电阻R的值也相对较小，这使得由晶片构成的回路的品质因数Q变得非常高，通常可达1000至10000的范围。此外，晶片本身的谐振频率仅与晶片的切割方式、几何形状以及尺寸密切相关，且这些参数可以制造得相当精确。因此，利用石英谐振器组建的振荡电路能够获得极高的频率稳定度。

接下来，我们探讨晶振如何产生时钟信号。晶体谐振器，即石英晶体片或陶瓷晶体片，经过特定加工并镀上电极后制成。这些晶体片具有一个重要的特性——压电效应。当晶体上施加电压时，其内部的晶格会在电场力的作用下发生形变，这种形变会产生机械振动。一旦电场消失，晶体的变形也随之消失。

当稳定的交变信号施加到晶振上时，晶振会产生持续且稳定的机械振动。这种振动可以被转化为电信号，从而形成时钟信号。

当在晶振两端施加频率等于其谐振频率的交变信号时，晶振将呈现电阻特性，其电抗值为0。值得注意的是，谐振频率也与晶振等效电路中的C1、L1、R1串联支路相一致，因此也被称为串联谐振频率。

另一方面，晶振的反谐振频率，即整个等效电路的谐振频率，也被称为并联谐振频率。当输入信号的频率接近此反谐振频率时，晶振的电抗将趋于无穷大。

通常，晶振在Fa到Fs的频率范围内正常工作，这个区域被称为“并联谐振区”。在此区域内，晶振展现出电感特性，并带来约180°的相移。

那么，在实际的电路设计中，由谁来提供这种稳定的交变信号呢?答案通常是单片机(或称芯片)。以皮尔斯振荡电路为例，其晶振振荡电路主要由单片机内部的反相器和反馈电阻，以及外部的两个电容组成。通过芯片提供的突变信号，晶振便能产生出频率稳定的振荡信号。

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。

晶振内部是怎么样的?

整个晶体被金属外壳覆盖。

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。

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。

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，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。

压电效应：若在石英晶体的两个电极上加上一电场，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。

晶振在PCB板的设计布局

由于晶振内部存在石英晶体，受到外部撞击等情况造成晶体断裂，很容易造成晶振不起振，所以通常在电路设计时，要考虑晶振的可靠安装，其位置尽量不要靠近板边、设备外壳等地方。PCB对晶振布局时通常注意以下几点：

①晶振不能距离板边太近、晶振的外壳必须接地，否则易导致晶振辐射杂讯。

如果一定要布置在PCB边缘，可以在晶振印制线边上再布一根GND线，同时在包地线上间隔一段距离就打过孔，将晶振包围起来。

③若滤波器件放在晶振下方，且滤波电容与匹配电阻未按照信号流向排布，会使滤波器的滤波效果变差。耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚，按电源流入方向，依容值从大到小顺序摆放。

④时钟信号的走线应尽量简短，线宽大一些，在布线长度和远离发热源上寻找平衡。

晶振是电子行业中不可或缺的重要元件。无论是在提供稳定的时钟信号，还是在生成各种频率的信号，或是在控制设备的运行中，都发挥着重要的作用。