晶振详解之工作原理

晶体or晶振&＃xff0c;还是傻傻分不清楚&＃xff1f;

晶体是晶体谐振器&＃xff08;Crystal&＃xff09;的简称&＃xff0c;也称为无源晶体。一般是利用石英晶体的压电效应&＃xff0c;用来产生高精度振荡频率的一种电子元件。无源晶体需要依靠电容电阻才能进行起振。

晶振是晶体振荡器&＃xff08;Oscillator&＃xff09;的简称&＃xff0c;也称为有源晶振。有源晶振内部集成了起振电路&＃xff0c;无需外部添加其他元器件即可正常工作&＃xff0c;但其需要外部电源供电。

在封装上晶体通常为两脚和四脚&＃xff0c;晶振通常为四脚或四脚以上。可以肯定的是&＃xff0c;两脚的一定是晶体。 对于四脚的晶体和晶振&＃xff0c;需要观察其外围电路是否有其他器件连接&＃xff0c;如若无则为有源晶振。或者查看高度&＃xff0c;一般晶振的厚度比晶体要高。

常见晶体晶振实物如下图所示&＃xff1a;

晶振的工作原理

晶振的等效电路&＃xff1a;

R是ESR串联等效阻抗&＃xff0c;L和C分别是等效电感和电容&＃xff0c;Cp为寄生电容。

晶振的电抗频谱线&＃xff1a;

当晶振在串联谐振状态下工作时&＃xff0c;线路表现为纯阻性&＃xff0c;感抗等于容抗&＃xff08;XL&＃61;XC&＃xff09;&＃xff0c;串联谐振频率为&＃xff1a;

当晶振在并联谐振状态下工作时&＃xff0c;线路表现为纯感性。在这种模式下&＃xff0c;工作频率由晶振的负载决定。对于并联谐振状态的晶振&＃xff0c;晶振制造商应该指定负载电容CL。在这种模式下&＃xff0c;谐振频率&＃xff1a;

在并联谐振模式下&＃xff0c;电抗线中fs到fa的斜线区域内&＃xff0c;通过调整晶振的负载&＃xff0c;晶振都可以振荡起来。

晶振电路

晶振振荡电路图如下图所示。这样的组成可以使晶振处于并联谐振模式。反相器提供了180°的相移&＃xff0c;晶振、R1、C1、C2组成的π型网络产生另外180°的相移。所以整个环路的相移为360°。这满足了保持振荡的一个条件。另外一个条件是要求闭环增益应≥1&＃xff0c;才能正确起振和保持振荡。

电阻Rf产生负反馈&＃xff0c;它将反相器设定在中间补偿区附近&＃xff0c;使反相器工作在高增益线性区域。电阻值很高&＃xff0c;范围通常在500KΩ ~2MΩ内。图示的C1&＃xff0c;C2就是为晶振工作在并联谐振状态下得到负载电容CL的电容。关于最优的负载电容CL的计算公式为&＃xff1a;

其中Cs为PCB中晶振引脚寄生电容&＃xff0c;典型值为2-5pF。通常C1,C2值取值相等。R1是驱动限流电阻&＃xff0c;主要功能是限制反相器输出&＃xff0c;这样晶振不会被过驱动&＃xff08;over driven&＃xff09;。R1、C1组构成分压电路&＃xff0c;这些元器件的数值是以这样的方式进行计算的&＃xff1a;反相器的输出接近rail-to-rail值&＃xff0c;输入到晶振的信号是rail-to-rail的60%&＃xff0c;通常实际是令R1的电阻值和的C1容抗值相等&＃xff0c;即R1 ≈ XC1。这使晶振只取得反相器输出信号的一半。要一直保证晶振消耗的功率在厂商说明书规定范围内&＃xff0c;过驱动会损坏晶振。

一般情况下&＃xff0c;增大负载电容会使振荡频率下降&＃xff0c;而减小负载电容会使振荡频率升高。 参考下图&＃xff1a;

一些芯片内置了这些外部器件(Rf&＃xff0c;R1&＃xff0c;C1&＃xff0c;C2)&＃xff0c;因此消除了电路设计师的烦恼。这种情况下&＃xff0c;只要把晶振连接在XTAL引脚上即可。

参考

• 电路基础&＃xff1a;晶振电路设计方案及建议
• 晶振工作原理及参数详解