关于晶振的那些事……
时间：2023-01-30 00:00:00
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那些关于晶振的事
……
晶体振动在板上看起来像一个微不足道的小设备，但在数字电路中，它就像整个电路的心脏。数字电路的所有工作都离不开时钟。晶体振动的质量和晶体振动电路的设计将影响整个系统的稳定性。因此，晶体振动是智能硬件
“
心脏
”
。
每个单片机系统都有晶振
(
晶体震荡器
)
，晶体振动在单片机系统中起着非常重要的作用。结合单片机内部电路，产生单片机所需的时钟频率。在此基础上执行单片机的所有指令。晶体振动提供的时钟频率越高，单片机运行速度越快。
晶振是复杂电子产品所必需的，而
RC
或
LC
由于信号稳定性不足，振荡无法达到，晶振有三种切型：
AT
切，
SC
切和
X
将石英切成薄片，并根据其厚度给出一定的频率信号，并根据需要任意设计频率值。
石英晶体俗称水晶，成分
SiO2
，它不仅是一种更好的光学材料，也是一种要的压电材料。晶体的主要特征是其原子或分子有规律排列，反映在宏观上是外形的对称性。人造水晶在高温高压下结晶而成。在电场的作用下，晶体内部产生应力而形变，从而产生机械振动，获得特定的频率。我们利用它的这种逆压电效应特性来制造石英晶体谐振器。
晶振的分类
1 、从外观上可以划分为：圆柱晶振（ DIP ）、贴片晶振（ SMD ）。
谐振器一般分为插件（ Dip ）和贴片（ SMD ）。插件中又分为 HC-49U 、 HC-49U/S 、音叉型（圆柱）。 HC-49U 一般称 49U ，有些采购俗称 “ 高型 ” ，而 HC-49U/S 一般称 49S ，俗称 “ 矮型 ” 。音叉型按照体积分可分为 3*8 ， 2*6 ， 1*5 ， 1*4 等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如 7*5 （ 0705 ）、 6*3.5 （ 0603 ）， 5*3.2 （ 5032 ）等等。脚位有 4pin 和 2pin 之分。
而振荡器也是可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者 14pin ，半尺寸的又称为正方形或者 8pin 。不过要注意的是，这里的 14pin 和 8pin 都是指振荡器内部核心 IC 的脚位数，振荡器本身是 4pin 。而从不同的应用层面来分，又可分为 OSC( 普通钟振 ) ， TCXO （温度补偿）， VCXO （压控）， OCXO （恒温）等等。
2 、从工作性能上分为：石英晶体谐振器（无源）、石英晶体震荡器（有源，带电压的。晶体振荡器又可分为 Package 石英振荡器 (SPXO) 、温度补偿石英振荡器 (TCXO) 、电压控制石英振荡器 (VCXO) 、恒温槽式石英振荡器 (OCXO) ）。
① 无源晶体 —— 无源晶体需要用 DSP 片内的振荡器，在 datasheet 上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的 DSP ，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。
② 有源晶振 —— 有源晶振不需要 DSP 的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的 PI 型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些 DSP 内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如 TI 的 6000 系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。有源晶振逐步演变为市场主流。
有源晶振的主要参数：
1 ）、总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。
2 ）、 率压控线性：与理想（直线）函数相比的输出频率 - 输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。
3 ）、 频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
4 ）、 频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器元件的缓慢变化造成的。因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率（如 ±10ppb/ 天，加电 72 小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如： ± 1ppm/ （第一年）和 ±5ppm/ （十年））来表示。
5 ）、 开机特性（频率稳定预热时间）：指开机后一段时间（如 5 分钟）的频率到开机后另一段时间（如 1 小时）的频率的变化率，表示了晶振达到稳定的速度。
我们知道了这些内容后，又听到别人说过陶瓷晶振，那么相比石英晶振总会有所不同了吧，这是当然的啦！
陶瓷谐振器多用在电视， DVD 摇控，玩具产品等精度要求不高的产品中，而对于精度要求较高的电子仪器仪表，通信通讯等消费电子产品中，就需要石英谐振器了，而且根据不同的需要，调整频差也要求不一。而且，晶振现在是越做越小，业内现在也只做 3225 的晶振，而于更小型化的 2025, 暂时还没有出现，这是一个方向。早晚都会出来的。
在现实生活中，手机蓝牙一般用 4025 或 5032 13MHZ 或 26MHZ 的帖片晶体振荡器；而 MP3 ， U 盘大多用 503212.000MHz 的帖片晶体；对于视频采集卡或 GPS 用的就更加精准一些。例如： SMD TCXO 19.2MHZ 或 38.4MHZ ，最后通信通讯用 25.000MHZ 的帖片晶体。
二、与晶振相关的术语解释专业词：
1
、标称频率：
晶振是一种频率元器件，每一款晶振都有自己的频率。频率通常会标识在产品外壳上
,
进口晶振品牌则会有品牌的
logo
标识又或字母代替。
2
、温度频差
：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（
25±2
℃）时工作频率的允许偏差。
3
、工作频率
：晶体与工作电路共同产生的频率。
4
、调整频差
：在规定条件下
,
基准温度（
25±2
℃）时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。
5
、负载谐振频率（
fL
）
：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率
.
在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个
,
在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。
6
、动态电阻：
串联谐振频率下的等效电阻。用
R1
表示。
7
、负载谐振电阻
：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。用
RL
表示
.RL
＝
R1
（
1+C0/CL
）
2
8
、激励电平：
晶体工作时所消耗功率的表征值。激励电平可选值有：
2mW
、
1mW
、
0.5mW
、
0.2mW
、
0.1mW
、
50μW
、
20μW
、
10μW
、
1μW
、
0.1μW
等。
9
、基频：
在振动模式最低阶次的振动频率。
10
、老化率
：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。
11
、静电容：
等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用
C0
表示。
12
、负载电容：
与晶体一起决定负载谐振频率
fL
的有效外界电容，通常用
CL
表示。负载电容系列是：
8PF
、
12PF
、
15PF
、
20PF
、
30PF
、
50PF
、
100P
。只要可能就应选推荐值：
10PF
、
20PF
、
30PF
、
50PF
、
100PF
。
32.768K
晶振常用的负载电容为
12.5PF
，
6PF
，
9PF
等。
13
、泛音：
晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有
3
次泛音，
5
次泛音，
7
次泛音，
9
次泛音等。
三、影响晶振精度的因素：
晶振的精度单位是（
PPM
）不仅是决定了晶振的价格，也决定了是否符合你产品的技术参数。一般常用的精度为
20PPM
。那么影响晶振精度的因素有哪些呢？
尽管一个石英晶体振荡器的频率精度是正负
20PPM
，但可能会因为电压变动有正负
10PPM
的影响，焊接温度有正负
5PPM
的影响，机械振动与冲击有正负
3PPM
的影响，温度范围可能有正负
5-20PPM
的影响等等。
这些都十分常见的影响精度的因素，必须考虑进去，单石英晶体振荡器厂商却只告诉客户产品的精度是正负
20PPM
。事实上，实际应用环境中精度可能只能达到
50PPM
。因此，客户需要
50PPM
精度的时候，选择了
20PPM
的石英晶体振荡器是正确的。
四、晶体振荡器选购指南：
