晶振，全名叫“晶體振蕩器”，它在電路當(dāng)中起到產(chǎn)生振蕩頻率的作用，我們都知道，單片機(jī)可以看成是在時鐘驅(qū)動下的時序邏輯電路，那么這個所需要的時鐘就是晶振來產(chǎn)生，可以說它的單片機(jī)的心臟，讓單片機(jī)時刻有脈動，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，晶振的頻率有32.768kHz、1MHz、2MHz、4MHz、8MHz、12MHz……當(dāng)然，還有很多其他頻率。

晶振有無源晶振以及有源晶振，我們平時看到在電路板上面由電容、電阻等元器件來助起振的晶振其實(shí)就是無源晶振，它需要外部元器件輔助;二有源晶振它在單片機(jī)內(nèi)部里面，它不用外部元器件輔助起振。時鐘信號可以三種方式產(chǎn)生：一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，不過一般是RC振蕩電路，產(chǎn)生時鐘信端;另兩種為外部方式，即外接一個晶振，時鐘信號由外部引入和引入外部振蕩器作為輸入。

可以說現(xiàn)在的晶振很多，我說的是單片機(jī)外接的晶振，有石英晶振，有溫度補(bǔ)償?shù)木д竦鹊?，那么我們在選擇晶振時候需要注意哪些細(xì)節(jié)呢?

晶振主要的參數(shù)無非主要是這幾個：類別、規(guī)格尺寸、輸出波形工作電壓、溫度......

1) 類別

晶振大致分為兩類：

1. 無源晶振：一般消費(fèi)級產(chǎn)品或者對精度要求不高的產(chǎn)品，推薦使用價(jià)格更低的無源晶振。

晶體諧振器Crystal Resonator需要匹配外部諧振電路才可以輸出信號，自身無法振蕩。

2. 有源晶振：高端產(chǎn)品或工業(yè)級以上的產(chǎn)品推薦使用更穩(wěn)定的時鐘振蕩器，更高要求的產(chǎn)品推薦使用TCXO/OCXO。

時鐘振蕩器Clock Oscillator比無源晶振輸出信號好，穩(wěn)定度高，不受外部電路影響，內(nèi)部有獨(dú)立起振芯片。

壓控晶振VCXO可以調(diào)整控制端電壓改變輸出頻率。

溫補(bǔ)晶振TCXO含有溫度補(bǔ)償電路以減少環(huán)境溫度對振蕩頻率的影響。TCXO比適時鐘振蕩器有更好性能。

恒溫晶振OCXO將晶體放置于恒溫槽，不受外界溫度影響，頻率穩(wěn)定度在所有類型的晶振中是最好的，電路設(shè)計(jì)極其精密，短穩(wěn)和相位噪聲都非常好。

2) 規(guī)格尺寸

近年來，晶振的封裝尺寸朝著小型化發(fā)展,例如便攜式設(shè)備需要對封裝有嚴(yán)格的要求。小尺寸貼片可達(dá)到1.6x1.2mm。

3) 輸出波形

KOAN晶振家族中的輸出波形普遍分為方波Square Wave和正弦波Sine Wave兩類。其中方波有非差分和差分輸出的選擇;正弦波有準(zhǔn)正弦波和削峰正弦波的選擇。方波的輸出功率大，驅(qū)動能力強(qiáng)，但是諧波分量豐富。主要應(yīng)用在數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上。正弦波的功率不如方波，但是諧波分量小。每種類型都有不同的特性和用途。

4) 工作電壓

振蕩器的頻率穩(wěn)定度會受到電源電壓變動和負(fù)載變動的影響。在超過建議的電源電壓下工作會造成穩(wěn)定性和波形變差。下圖為KS70(時鐘振蕩器7.0x5.0mm CMOS輸出)的電壓選擇：

5) 溫度穩(wěn)定性

振蕩器的主要特性是溫度穩(wěn)定性，這是取決于振蕩器價(jià)格的重要因素。穩(wěn)定度越高，溫度范圍越寬，價(jià)格也就越高。在選擇晶振時，我們應(yīng)按照實(shí)際需求選擇穩(wěn)定度。下圖為KS50(時鐘振蕩器5.0x3.2mm CMOS輸出)：

6) 相位噪聲和抖動

晶振的短期頻率穩(wěn)定度由噪聲引起導(dǎo)致的頻率不穩(wěn)定。從頻域來看，對應(yīng)的參數(shù)是相位噪聲Phase Noise是衡量晶振性能的重要指標(biāo)。從時域來看，對應(yīng)的參數(shù)是抖動Jitter。時間和頻域之間的關(guān)系互為倒數(shù)Time=1/Frequency。

7) 工作環(huán)境

在選擇晶振的時候，不僅要考慮電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求，也需要結(jié)合實(shí)際工作的環(huán)境。比如終端產(chǎn)品應(yīng)用在高振動，高沖擊的環(huán)境;有外部磁場干擾的環(huán)境;高低溫溫濕度有差異的環(huán)境中。

晶振還有幾個重要參數(shù)：

1，晶體元件規(guī)格書中所指定的頻率，也是工程師在電路設(shè)計(jì)和元件選購時首要關(guān)注的參數(shù)。晶振常用標(biāo)稱頻率在1～200MHz之間，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等，更高的輸出頻率也常用PLL(鎖相環(huán))將低頻進(jìn)行倍頻至1GHz以上。我們稱之為標(biāo)稱頻率。

2，輸出信號的頻率不可避免會有一定的偏差，我們用頻率誤差(Frequency Tolerance)或頻率穩(wěn)定度(Frequency Stability)，用單位ppm來表示，即百萬分之一(parts per million)(1/106)，是相對標(biāo)稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。比如，12MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為12×20Hz=±240Hz，即頻率范圍是(11999760～12000240Hz)。

3，還有一個溫度頻差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定溫度范圍內(nèi)，工作頻率相對于基準(zhǔn)溫度時工作頻率的允許偏離，它的單位也是ppm。

4，另外，負(fù)載電容CL(Load capacitance)，它是電路中跨接晶體兩端的總的有效電容(不是晶振外接的匹配電容)，主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻，與晶體一起決定振蕩器電路的工作頻率，通過調(diào)整負(fù)載電容，就可以將振蕩器的工作頻率微調(diào)到標(biāo)稱值。更準(zhǔn)確而言，無源晶體的負(fù)載電容是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)，因?yàn)闊o源晶體屬于被動元器件，所謂的被動元器件即是自身不能工作，需要外部元器件協(xié)助工作，無源晶體即是!

其中：

CS為晶體兩個管腳之間的寄生電容(又名晶振靜態(tài)電容或Shunt Capacitance)，在晶體的規(guī)格書上可以找到具體值，一般0.2pF~8pF不等。如圖二是某32.768KHz的電氣參數(shù)，其寄生電容典型值是0.85pF(在表格中采用的是Co)。

CG指的是晶體振蕩電路輸入管腳到GND的總電容，其容值為以下三個部分的和。

需加外晶振主芯片管腳芯到GND的寄生電容 Ci

晶體震蕩電路PCB走線到到GND的寄生電容CPCB

電路上外增加的并聯(lián)到GND的外匹配電容 CL1

CD指的是晶體振蕩電路輸入管腳到GND的總電容。容值為以下三個部分的和。

需加外晶振主芯片管腳芯到GND的寄生電容, Co

晶體震蕩電路PCB走線到到gnd的寄生電容，CPCB

電路上外增加的并聯(lián)到GND的外匹配電容, CL2

既然晶振的負(fù)載電容是一個非常重要的參數(shù)，如果此項(xiàng)參數(shù)與外部電容匹配不正確會導(dǎo)致什么樣的現(xiàn)象?晶振兩端的等效電容與晶振標(biāo)稱的負(fù)載電容匹配不正確，晶振輸出的諧振頻率將與標(biāo)稱工作的工作頻率會產(chǎn)生一定偏差(又稱之為頻偏)，負(fù)載電容(load capacitance)主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻，它與石英諧振器一起決定振蕩器的工作頻率，通過調(diào)整負(fù)載電容，一般可以將振蕩器的工作頻率調(diào)到標(biāo)稱值。應(yīng)用時我們一般外接電容，便是為了使晶振兩端的等效電容等于或接近負(fù)載電容，對于要求高的場合還要考慮ic輸入端的對地電容，這樣便可以使得晶振工作的頻率達(dá)到標(biāo)稱頻率。所以合理匹配合適的外加電容使晶振兩端的等效電容等于或接近負(fù)載電容顯得十分重要。

負(fù)載電容常用的標(biāo)準(zhǔn)值有12.5 pF，16 pF，20 pF，30pF,負(fù)載電容和諧振頻率之間的關(guān)系不是線性的，負(fù)載電容變小時，頻率偏差量變大;負(fù)載電容提高時，頻率偏差減小。圖3是一個晶體的負(fù)載電容和頻率的誤差的關(guān)系圖。

結(jié)語

現(xiàn)在有很多芯片內(nèi)部已經(jīng)增加了補(bǔ)償電容(internal capacitance)，所以在設(shè)計(jì)的時候，只需要選按照芯片datasheet推薦的負(fù)載電容值的選擇晶體即可，不需要額外再加電容。但是因?yàn)閷?shí)際設(shè)計(jì)的寄生電路的不確定性，最好還是預(yù)留CL1/CL2的位置。

審核編輯：湯梓紅