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一、晶振工作原理

??晶振具有压电效应，也就是说，晶体在晶片两极外加电压后会变形。另一方面，如果晶片由外力变形，金属片在两极上会产生电压。如果将适当的交变电压添加到晶片中，晶片会产生谐振(谐振频率与石英斜倾角和厚度有关)。晶体振动利用晶体，可以转化电能和机械能，在共振状态下工作，提供稳定、准确的单频振荡。在正常工作条件下，普通晶振频率的绝对精度可达50%。晶振能提供稳定的脉冲，广泛应用于微芯片的时钟电路中。晶片多为石英半导体材料，外壳用金属包装。

二、晶振的主要参数

?1.标称频率：指晶体规格中规定的频率。晶体振动常用标称频率为1~200MHz在此之间，常用于获得更高的输出频率PLL(锁相环)获得低频倍频。
?2.频率精度、频率稳定性：用单位ppm也就是说，百万分之一(1/106)是相对标称频率的变化，这个值越小，精度越高。MHz晶振偏差为±20ppm，表示其频率偏差为24MHz×20ppm=±480Hz。
?3.温度频差：指工作频率在特定温度范围内与基准温度相比的偏差，单位也是ppm。
?4.负载电容CL：它是电路中跨晶体两端的总有效电容器（非晶体振动外部匹配电容器），主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。振荡器电路的工作频率可通过调整负载电容器微调到标称值。负载电容器是无源晶体振动的一个非常重要的参数，因为无源晶体属于被动元件，无源晶体振动本身不能工作，需要外部元件的协助。

??CS晶体两个管脚之间的寄生电容（Shunt Capacitance）
??CD表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容，包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CO、配电容CL2，即CD=CPCB CO CL2。
??CG表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容，包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容器CI、配电容CL1，即CG=CPCB CI CL1。
??一般CS为1pF左右，CI与CO一般有几种皮革方法，详见芯片或晶振数据手册。
??注：负载电容不等于匹配电容。

三、晶振等效电路及阻抗频率特性

??其中：C动态等效串联电容；L动态等效串联电感；R为动态等效串联电阻，是晶体内部的摩擦当量；C0为静态电容，相当于两个电极板之间的电容；
??1.当R、L、C串联支路串联谐振时，该支路的容抗和感抗相互抵消（XC=XL），即支路相当于等效串联电阻R。串联谐振等效电路如下：

??①谐振频率（fS）：在高稳定晶体振动的设计中，它是在标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求下作为晶体振动稳定工作的设计参数（但不是标称频率），其表达如下：
??②品质因数：当信号振幅不随时间变化时，系统存储能量与每个周期提供的外部能量的比例。它是反映谐振器性能的重要参数R、L、C关系如下：

??R越大，Q值越低，频率越不稳定。Q石英晶体的特点是质量因素高(可达数百万数量级)。

??2.等效电路并联谐振(并联谐振频率)fL）：此时串联支路呈，相当于电感，并联谐振等效电路如下：

??晶振元件数据手册中通常给出的标称频率不是Fr或FL，当实际晶体元件应用于振荡电路时，它通常与负载电容器连接，使晶体工作在一起Fr和FL振荡电路的相位和有效电抗可以通过改变电路的电抗条件来调节晶体频率。
??①当负载电容与晶体串联时，C远远小于C0 CL。

??②当负载电容与晶体并联时。

??若给出一定的负载电容值，F’r与F’L两个频率可以达到相同，这个频率是晶振的绝大多数应用时所表现的实际频率，也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数，也就是晶体振动的标称频率。

四、晶振分类

1.有源晶振

??有源晶体振动一般有四个引脚，是一个完整的振荡器，除石英晶体外，还有晶体管和阻力元件。不需要有源晶振DSP内部振荡器信号质量好，相对稳定，连接方式相对简单(主要是电源滤波，通常由电容和电感组成PI类型滤波网络，输出端可以使用小电阻过滤信号)，不需要复杂的配置电路。与无源晶体相比，有源晶体振动的缺陷是其信号电平固定，需要选择合适的输出电平，灵活性差，价格相对较高。对于时间要求敏感的应用，还是有源晶振比较好，所以可以选择精密晶振，甚至高档温度来补偿晶振。下图为串联式振荡器电路。

2.无源晶振

??无源晶振一般是两个引脚的无极元件，需要时钟电路的帮助才能产生振荡信号， 需要使用无源晶振DSP片内振荡器。无源晶体振动无电压问题，信号电平可变，即根据振动电路确定，同一晶体振动可适用于各种电压，可用于各种不同时钟信号电压要求DSP，而且价格通常比较低，所以如果条件允许，建议使用晶体作为一般应用，特别适合产品线丰富、批量大的生产者。与晶体振动相比，无源晶体振动的缺点是信号质量差，通常需要准确匹配外围电路（电容、电感、电阻等）。用于信号匹配，周围配置电路需要相应的调整。建议使用精度较高的石英晶体，尽量不要使用精度较低的陶瓷晶体。
??如下图所示，并联振荡器电路，晶体振荡器的两个引脚与芯片（如单片机）内的反相器相连，然后与外部匹配电容器相结合CL1、CL2、R1、2，组成一个皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）。

  石英晶体与 C1, C2 两电容构成π型网络形式的带通滤波器，约在石英晶体的共振频率上，提供 180 度相移与所需的电压增益。在发生震荡的频率上，石英晶体呈现电感性，可视为是具有高 Q 值的电感。π型网络的 180 度相移加上反相器的负增益，合起来成为正的环增益(正反馈），使 Rf 所设定的偏压无法稳定而导致震荡。
  R1的作用：①电阻会与 C1 造成些许额外的相移，抑制高频混附(spurious)振荡，以获得干净的输出讯号。②降低石英晶体的驱动功率，以防止超过石英晶体的容许驱动功率而加速老化或造成破损，尤其是对低功率的石英晶体。
  Rf的作用：Rf是反馈电阻（一般≥1MΩ），它使反相器在振荡初始时处于线性工作区。有时不加Rf晶振也能正常起震，但加Rf会使电路更加稳定。