我們?cè)谟^察晶體振蕩電路時(shí)，通常會(huì)看到這么幾個(gè)電子元器件，晶振和晶振兩旁的電容。電容一端接地，一端接晶振。還有就是兩個(gè)電阻，一個(gè)是跨接在晶振兩端，一個(gè)接在晶振的輸出端，同芯片相連。旁接的電容我們都知道叫匹配電容，它們的大小可以改變振蕩電路的頻率，通過試驗(yàn)就可以觀察的到。而兩個(gè)分別串并得電阻各自起到什么作用，其值選多大？

微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時(shí)鐘源，如：RC （電阻、電容）振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時(shí)鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)取?/p>

下圖給出了兩種時(shí)鐘源。兩種分立的振蕩器電路，其中圖a為皮爾斯振蕩器配置，用于機(jī)械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖b為簡(jiǎn)單的RC反饋振蕩器。

舉例，一個(gè)振蕩電路在其輸出端串接了一個(gè)22K的電阻，在其輸出端和輸入端之間接了一個(gè)10M的電阻。

并聯(lián)電阻

電路并聯(lián)電阻是由于連接晶振的芯片端內(nèi)部是一個(gè)線性運(yùn)算放大器，將輸入進(jìn)行反向180度輸出，晶振處的負(fù)載電容電阻組成的網(wǎng)絡(luò)提供另外180度的相移，整個(gè)環(huán)路的相移360度，滿足振蕩的相位條件，同時(shí)還要求閉環(huán)增益大于等于1，晶體才正常工作。Xin和Xout的內(nèi)部一般是一個(gè)施密特反相器，反相器是不能驅(qū)動(dòng)晶體震蕩的。因此，在反相器的兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，由電阻完成將輸出的信號(hào)反向。電阻的作用是將電路內(nèi)部的反向器加一個(gè)反饋回路，形成放大器，當(dāng)晶體并在其中會(huì)使反饋回路的交流等效按照晶體頻率諧振，由于晶體的Q值非常高，因此電阻在很大的范圍變化都不會(huì)影響輸出頻率，但會(huì)影響脈寬比的。

晶振輸入輸出連接的電阻作用是產(chǎn)生負(fù)反饋，保證放大器工作在高增益的線性區(qū)，一般在M歐級(jí)，KHz晶振電路，并聯(lián)電阻通常為10M歐，MHz晶振，并聯(lián)電容通常為1M歐左右。

串聯(lián)電阻

電路串聯(lián)電阻常用來預(yù)防晶振被過分驅(qū)動(dòng)。晶振過分驅(qū)動(dòng)的后果是將逐漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升，并導(dǎo)致晶振的早期失效，又可以講drive level調(diào)整用。用來調(diào)整drive level和發(fā)振余裕度。

電阻Rs常用來防止晶振被過分驅(qū)動(dòng)。過分驅(qū)動(dòng)晶振會(huì)漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升。可用一臺(tái)示波器檢測(cè)OSC輸出腳，如果檢測(cè)一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時(shí)鐘輸入需要，則晶振未被過分驅(qū)動(dòng)；相反，如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過分驅(qū)動(dòng)。這時(shí)就需要用電阻Rs來防止晶振被過分驅(qū)動(dòng)。判斷電阻Rs值大小的最簡(jiǎn)單的方法就是串聯(lián)一個(gè)5k或10k的微調(diào)電阻，從0開始慢慢調(diào)高，一直到正弦波不再被削平為止。通過此辦法就可以找到最接近的電阻Rs值。

輸出端串聯(lián)電阻與負(fù)載電容組成網(wǎng)絡(luò)，提供180度相移，同時(shí)起到限流的作用，防止反向器輸出對(duì)晶振過驅(qū)動(dòng)，損壞晶振。其值的大小通常為幾百K 歐姆較多，具體大小需要通過調(diào)試，根據(jù)過驅(qū)程度去選定串接多大電阻。

晶振本身的作用

振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與LC諧振回路相比，它具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，，具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到10-4~10-11穩(wěn)定度。

基本性能主要是起振蕩作用，可利用其對(duì)某頻率具有的響應(yīng)作用，用來濾波、選頻網(wǎng)絡(luò)等，石英諧振器相當(dāng)于RLC振蕩電路。

石英晶體俗稱水晶，是一種化學(xué)成分為二氧化硅（SiO2）的六角錐形結(jié)晶體，比較堅(jiān)硬。它有三個(gè)相互垂直的軸，且各向異性：縱向Z軸稱為光軸，經(jīng)過六棱柱棱線并垂直于Z軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時(shí)垂直的Y軸（垂直于棱面）稱為機(jī)械軸

石英晶體之所以可以作為諧振器，是由于它具有正（機(jī)械能→電能）、反（電能→機(jī)械能）壓電效應(yīng)。沿石英晶片的電軸或機(jī)械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個(gè)表面產(chǎn)生正、負(fù)電荷，呈現(xiàn)出電壓，其大小與所加力產(chǎn)生的形變成正比；若施加張力，則產(chǎn)生反向電壓，這種現(xiàn)象稱為正電效應(yīng)。當(dāng)沿石英晶片的電軸方向加電場(chǎng)，則晶片在電軸和機(jī)械軸方向?qū)⒀由旎驂嚎s，發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱為反壓電效應(yīng)。因此，在晶體兩面三刀端加上交流電壓時(shí)，晶片會(huì)隨電壓的變化產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)又會(huì)在晶片內(nèi)表面產(chǎn)生交變電荷。由于晶體是有彈性的固體，對(duì)于某一振動(dòng)方式，有一個(gè)固有的機(jī)械諧振頻率。當(dāng)外加交流電壓等于晶片的固有機(jī)械諧振頻率時(shí)，晶片的機(jī)械振動(dòng)幅度最大，流過晶片的電流最大，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。石英晶片的共振具有多諧性，即除可以基頻共振外，還可以諧頻共振，通常把利用晶片的基頻共振的諧振器，利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，一般能利用的是3、5、7之類的奇次泛音。晶片的振動(dòng)頻率與厚度成反比，工作頻率越高，要求晶片越?。ǔ叽缭酱?，頻率越低），這樣的晶片其機(jī)械強(qiáng)度就越差，加工越困難，而且容易振碎，因此在工作頻率較高時(shí)常采用泛音晶體。一般地，在工作頻率小于20MHZ時(shí)采用基頻晶體，在工作頻率大于20MHZ時(shí)采用泛音晶體。

原理：壓電效應(yīng)

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

晶振的作用一句話簡(jiǎn)單說就是：選擇頻率，讓跟自己固有頻率相等的和接近的振蕩蕩起來。

對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，晶體的選擇非常重要，尤其設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統(tǒng)。這是因?yàn)榈?a target="_blank">供電電壓使提供給晶體的激勵(lì)功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時(shí)并不特別明顯，原因時(shí)上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時(shí)，電路的擾動(dòng)要比上電時(shí)小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(lì)（容易振到高次諧波上）也不能欠激勵(lì)（不容易起振）。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點(diǎn)，負(fù)載電容，激勵(lì)功率，溫度特性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

晶體的匹配電容

1.匹配電容-----負(fù)載電容是指晶振要正常震蕩所需要的電容。一般外接電容，是為了使晶振兩端的等效電容等于或接近負(fù)載電容。要求高的場(chǎng)合還要考慮ic輸入端的對(duì)地電容。一般晶振兩端所接電容是所要求的負(fù)載電容的兩倍。這樣并聯(lián)起來就接近負(fù)載電容了。

2.負(fù)載電容是指在電路中跨接晶體兩端的總的外界有效電容。他是一個(gè)測(cè)試條件，也是一個(gè)使用條件。應(yīng)用時(shí)一般在給出負(fù)載電容值附近調(diào)整可以得到精確頻率。此電容的大小主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻。

3.一般情況下，增大負(fù)載電容會(huì)使振蕩頻率下降，而減小負(fù)載電容會(huì)使振蕩頻率升高。

4.負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶 振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正常。

關(guān)于晶振

石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。

一、石英晶體振蕩器的基本原理

1、石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)

石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn) 稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體 諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

2、壓電效應(yīng)

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為 壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振 幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

3、符號(hào)和等效電路

當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)PF到幾十PF。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī) 械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)值約為 100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切 割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

4、諧振頻率

從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即（1）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗）。串聯(lián)揩振頻率用fs表 示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。

根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線。可見當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí)，石英晶體呈容性。僅在fs

二、石英晶體振蕩器類型特點(diǎn)

石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性 能。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩（TCXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩 （TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體損振蕩（DCXO）等。

普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^（-5）～10^（-4）量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。

電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^（-6）～10^（-5）量級(jí)，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。

溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10^（-7）～10^（-6）量級(jí)，頻率范圍1—60MHz， 頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設(shè)備等。

恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10^（-10）至10^（-8）量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。

三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)

晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率 有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000 MHz以上，也有的沒有標(biāo)稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路 中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的 低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正 常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達(dá)到一般電器的要求，對(duì)于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^（-4） 量級(jí)到10^（-10）量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更 高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д?，因不同性能的晶振其價(jià)格不同，要求越高價(jià) 格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。

四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢(shì)

1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝 轉(zhuǎn)變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。

2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無補(bǔ)償式晶體振蕩器總精度也能達(dá)到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達(dá)±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。

3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個(gè)重要參數(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有 很大改善。除VCXO外，其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz。例如用于GSM等移動(dòng)電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為 650～1700 MHz，電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。

4、低功能，快速啟動(dòng)，低電壓工作，低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢(shì)。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不 超過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時(shí) 間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動(dòng)4ms后則可達(dá)到額定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達(dá)到±0.01 ppm的穩(wěn)定度。

五、石英晶體振蕩器的應(yīng)用

1、石英鐘走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點(diǎn)。

不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘 表的走時(shí)精度。從石英晶體振蕩器原理的示意圖中，其中V1和V2構(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相 當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無法 通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時(shí)精度。但此時(shí)我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時(shí)精度。根據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢，調(diào)整電 容有兩種接法：若走時(shí)偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C，如圖4所示。此時(shí)系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢，則可在晶體支路中串接 電容C。如圖5所示。此時(shí)系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時(shí)增快。只要經(jīng)過耐心的反復(fù)試驗(yàn)，就可以調(diào)整走時(shí)精度。因此，晶振可用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。

2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場(chǎng)電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價(jià)格便宜，更換容易。

3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

晶振的負(fù)載電容

晶體元件的負(fù)載電容是指在電路中跨接晶體兩端的總的外界有效電容。是指晶振要正常震蕩所需要的電容。一般外接電容，是為了使晶振兩端的等效電容等于 或接近負(fù)載電容。要求高的場(chǎng)合還要考慮ic輸入端的對(duì)地電容。應(yīng)用時(shí)一般在給出負(fù)載電容值附近調(diào)整可以得到精確頻率。此電容的大小主要影響負(fù)載諧振頻率和 等效負(fù)載諧振電阻。

晶振的負(fù)載電容=［（Cd*Cg）/（Cd+Cg）］+Cic+△C式中Cd，Cg為分別接在晶振的兩個(gè)腳上和對(duì)地的電容，Cic（集成電路內(nèi)部電容）+△C（PCB上電容）。就是說負(fù)載電容15pf的話，兩邊個(gè)接27pf的差不多了，一般a為6.5～13.5pF

各種邏輯芯片的晶振引腳可以等效為電容三點(diǎn)式振蕩器。 晶振引腳的內(nèi)部通常是一個(gè)反相器， 或者是奇數(shù)個(gè)反相器串聯(lián)。 在晶振輸出引腳 XO 和晶振輸入引腳 XI 之間用一個(gè)電阻連接， 對(duì)于 CMOS 芯片通常是數(shù) M 到數(shù)十 M 歐之間。 很多芯片的引腳內(nèi)部已經(jīng)包含了這個(gè)電阻， 引腳外部就不用接了。 這個(gè)電阻是為了使反相器在振蕩初始時(shí)處與線性狀態(tài)， 反相器就如同一個(gè)有很大增益的放大器， 以便于起振。 石英晶體也連接在晶振引腳的輸入和輸出之間， 等效為一個(gè)并聯(lián)諧振回路， 振蕩頻率應(yīng)該是石英晶體的并聯(lián)諧振頻率。 晶體旁邊的兩個(gè)電容接地， 實(shí)際上就是電容三點(diǎn)式電路的分壓電容， 接地點(diǎn)就是分壓點(diǎn)。 以接地點(diǎn)即分壓點(diǎn)為參考點(diǎn)， 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的， 但從并聯(lián)諧振回路即石英晶體兩端來看， 形成一個(gè)正反饋以保證電路持續(xù)振蕩。 在芯片設(shè)計(jì)時(shí)， 這兩個(gè)電容就已經(jīng)形成了， 一般是兩個(gè)的容量相等， 容量大小依工藝和版圖而不同， 但終歸是比較小， 不一定適合很寬的頻率范圍。 外接時(shí)大約是數(shù) PF 到數(shù)十 PF， 依頻率和石英晶體的特性而定。 需要注意的是： 這兩個(gè)電容串聯(lián)的值是并聯(lián)在諧振回路上的， 會(huì)影響振蕩頻率。 當(dāng)兩個(gè)電容量相等時(shí)， 反饋系數(shù)是 0.5， 一般是可以滿足振蕩條件的， 但如果不易起振或振蕩不穩(wěn)定可以減小輸入端對(duì)地電容量， 而增加輸出端的值以提高反饋量。

設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)：

使晶振、外部電容器（如果有）與 IC之間的信號(hào)線盡可能保持最短。當(dāng)非常低的電流通過IC晶振振蕩器時(shí)，如果線路太長(zhǎng)，會(huì)使它對(duì) EMC、ESD 與串?dāng)_產(chǎn)生非常敏感的影響。而且長(zhǎng)線路還會(huì)給振蕩器增加寄生電容。

2.盡可能將其它時(shí)鐘線路與頻繁切換的信號(hào)線路布置在遠(yuǎn)離晶振連接的位置。

3.當(dāng)心晶振和地的走線

4.將晶振外殼接地

如果實(shí)際的負(fù)載電容配置不當(dāng)，第一會(huì)引起線路參考頻率的誤差。另外如在發(fā)射接收電路上會(huì)使晶振的振蕩幅度下降（不在峰點(diǎn)），影響混頻信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度與信噪。

當(dāng)波形出現(xiàn)削峰，畸變時(shí)，可增加負(fù)載電阻調(diào)整（幾十K到幾百K）。要穩(wěn)定波形是并聯(lián)一個(gè)1M左右的反饋電阻。

晶振停振的可能原因及處理方法

1，在壓封時(shí)，晶體內(nèi)部要求抽真空充氮?dú)?，如果發(fā)生壓封不良，即石英晶體的密封性不好時(shí)，在酒精加壓的條件下，其表現(xiàn)為漏氣，稱之為雙漏，也會(huì)導(dǎo)致停振，

2，由于芯片本身的厚度很薄，當(dāng)激勵(lì)功率過大時(shí)，會(huì)使內(nèi)部石英芯片破損，導(dǎo)致停振；

3，在焊錫時(shí)，當(dāng)錫絲透過線路板上小孔滲過，導(dǎo)致引腳跟外殼連接在一塊，或是晶體在制造過程中，基座上引腳的錫點(diǎn)和外殼相連接發(fā)生單漏，都會(huì)造成短路，從而引起停振；

4，由于石英晶體在剪腳和焊錫的時(shí)候容易產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，而焊錫溫度過高和作用時(shí)間太長(zhǎng)都會(huì)影響到晶體，容易導(dǎo)致晶體處于臨界狀態(tài)，以至出現(xiàn)時(shí)振時(shí)不振現(xiàn)象，甚至停振；

5，有功負(fù)載會(huì)降低Q值（即品質(zhì)因素），從而使晶體的穩(wěn)定性下降，容易受周邊有源組件影響，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)時(shí)振時(shí)不振現(xiàn)象；

6，當(dāng)石英晶體頻率發(fā)生頻率漂移，且超出石英晶體頻率偏差范圍過多時(shí)，以至于捕捉不到石英晶體的中心頻率，從而導(dǎo)致芯片不起振。

當(dāng)遇到以上情況時(shí)的正確處理方法：

1，嚴(yán)格按照技術(shù)要求的規(guī)定，對(duì)石英晶體組件進(jìn)行檢漏試驗(yàn)以檢查其密封性，及時(shí)處理不良品并分析原因；

2，壓封工序是將調(diào)好的諧振件在氮?dú)獗Ｗo(hù)中與外殼封裝起來，以穩(wěn)定石英晶體諧振器的電氣性能。在此工序應(yīng)保持送料倉、壓封倉和出料倉干凈，壓封倉要連續(xù)沖氮?dú)?，并在壓封過程中注意焊頭磨損情況及模具位置，電壓、氣壓和氮?dú)饬髁渴欠裾?，否則及時(shí)處理。其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：無傷痕、毛刺、頂坑、彎腿，壓印對(duì)稱不可歪斜。

3，由于石英晶體是被動(dòng)組件，它是由IC提供適當(dāng)?shù)募?lì)功率而正常工作的，因此，當(dāng)激勵(lì)功率過低時(shí)，晶體不易起振，過高時(shí)，便形成過激勵(lì)，使石英芯片破損，引起停振。所以，應(yīng)提供適當(dāng)?shù)募?lì)功率。另外，有功負(fù)載會(huì)消耗一定的功率，從而降低晶體Q值，從而使晶體的穩(wěn)定性下降，容易受周邊有源組件影響，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)時(shí)振時(shí)不振現(xiàn)象，所以，外加有功負(fù)載時(shí)，應(yīng)匹配一個(gè)比較合適有功負(fù)載。

4，控制好剪腳和焊錫工序，并保證基座絕緣性能和引腳質(zhì)量，引腳鍍層光亮均勻無麻面，無變形、裂痕、變色、劃傷、污跡及鍍層剝落。為了更好地防止單漏，可以在晶體下加一個(gè)絕緣墊片。

5，當(dāng)晶體產(chǎn)生頻率漂移而且超出頻差范圍時(shí)，應(yīng)檢查是否匹配了合適的負(fù)載電容，可以通過調(diào)節(jié)晶體的負(fù)載電容來解決。

晶振不起振的原因及解決方法

RTC晶體經(jīng)常出現(xiàn)不起振的問題，很多人在各種電子論壇上求助類似于“求高手指點(diǎn)！RTC晶振不起振怎么辦”的問題，而其答案基本可以概括為“這次高手幫不了你了”

更有陰謀論者提出讓人啼笑皆非的解釋——STM32的RTC晶振不起振是ST與晶振廠商串通后故意搞出來的，目的是提高某晶振廠商高端晶振的銷量。。。

最近做的幾塊板子也用到了STM32的RTC，前后兩版一共做了大概6片，幸運(yùn)的是并未遇到晶振不起振的現(xiàn)象。而我采用的是3毛錢一個(gè)的普通晶振，并未選用傳說中低負(fù)載高精度晶振。。。后來在另外一片實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的板子上首次遇到了晶振不起振的問題，而且做了2片都不起振，這才讓我意識(shí)到這個(gè)問題的嚴(yán)重性。

從上述現(xiàn)象來看，我認(rèn)為對(duì)RTC晶振起振影響最大的因素應(yīng)該是PCB的布線。但是遇到問題時(shí)通常是PCB已做好，甚至已經(jīng)做了幾百塊，沒有回頭路了。于是大家更關(guān)注的問題似乎就是“如何補(bǔ)救”了。在網(wǎng)上搜索一下，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)世界是如此美好！每個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和建議都不一樣，甚至是完全相反的！這種現(xiàn)象告訴我們，除了PCB布線，對(duì)晶振起振影響最大的似乎不是電氣參數(shù)，而是另外一種不可忽略的因素——人品！

各種相互矛盾的經(jīng)驗(yàn)也告訴我們，導(dǎo)致晶振不起振的原因是多種多樣的，也是因“人”而異的。也許，我們無法找到一個(gè)絕對(duì)有效的經(jīng)驗(yàn)一舉解決STM32的RTC晶振這個(gè)讓人頭疼的問題，但我們可以從各種經(jīng)驗(yàn)中找到一些線索，為最終摸索到適合自己這塊板子的解決方案提供一些幫助和提示。

如果晶振不起振，尤其是你已經(jīng)使用了傳說中的愛普生6pF晶振后還是不行，也許你應(yīng)該嘗試對(duì)以下幾個(gè)方面排列組合，找到適合你這塊板子的，更容易起振的方式。

下面就羅列一下可能影響RTC晶振起振的因素

1. 晶振的品牌和負(fù)載電容

大家貌似都知道要用6pF的晶振，但我發(fā)現(xiàn)其實(shí)12.5pF的也可以用。大家都說KDS日本原裝的好，我那個(gè)3毛錢的國(guó)產(chǎn)晶振貌似也沒啥大問題。。。

2. 晶振外接的匹配電容

有人說6pF的晶振要配6pF的電容。但有經(jīng)驗(yàn)公式指出這個(gè)電容的值應(yīng)該是晶振本身負(fù)載電容的兩倍，6pF的晶振應(yīng)該配10pF的匹配電容，當(dāng)然12.5pF的就應(yīng)該配20pF或者22pF的電容了~電容值不匹配可能造成晶振不起振。更神奇的是，有人指出去掉外接的匹配電容會(huì)使晶振起振！這似乎沒啥道理，但在我的板子上，有且僅有這個(gè)方案是可行的！??！

3. 晶振并聯(lián)的反饋電阻

晶振可以并聯(lián)一個(gè)高阻值的電阻，據(jù)說這樣更容易起振。。。這個(gè)電阻的阻值有人說是1MΩ，有人說是5MΩ，也有人說是10MΩ，，，當(dāng)然也有人說不能并聯(lián)這個(gè)電阻，并聯(lián)了反而不起振

4. XTALout到晶振間串聯(lián)電阻

這種做法是官方的應(yīng)用筆記指出的，而且給出了這個(gè)電阻的計(jì)算公式。對(duì)這個(gè)電阻的的必要性也是眾說紛紜，同樣存在兩種矛盾的說法，即必須要有這電阻，否則不起振。還有一說不能有這個(gè)電阻，否則不起振。。。從官方的應(yīng)用筆記來看，這個(gè)電阻的主要作用是保護(hù)晶振，以防晶振發(fā)熱。由此看來這個(gè)這個(gè)電阻似乎并非影響晶振起振的主要因素，甚至可能讓晶振更難起振。

5. 晶振的外殼是否接地

這個(gè)就不用說了吧。。。晶振的外殼是金屬的，做封裝時(shí)可以把那個(gè)焊盤做成機(jī)械焊盤而懸空，也可以做成電氣焊盤，然后連接到GND。對(duì)這個(gè)說法同樣存在爭(zhēng)議，有人說外殼必須接地，也有人說接地后反而不起振。

6. 提高Vbat引腳的電源質(zhì)量

這種說法是有一定道理的，因?yàn)镽TC部分是由Vbat的來供電的。有人說Vbat引腳對(duì)電源質(zhì)量要求比較高，如果紋波較大可能會(huì)影響晶振的起振。更有人說反而需要一些噪聲，激勵(lì)晶振產(chǎn)生正反饋從而順利起振（本人對(duì)此表示呵呵）。。。但不管怎樣，提高電源質(zhì)量對(duì)大家都是好事~

7. 晶振周圍的環(huán)境

有人指出應(yīng)該仔細(xì)清洗RTC晶振周圍的電路，甚至是使用環(huán)氧樹脂膠將晶振密封起來。這種說法得到了一些人的支持，看來也是有相當(dāng)多的事實(shí)依據(jù)。

8. 減少晶振焊接時(shí)加熱的時(shí)間

有人認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間加熱晶振進(jìn)行焊接會(huì)對(duì)晶振本身帶來影響，卻不是徹底損壞晶振，從而使得晶振不容易起振。。。這種說法我沒驗(yàn)證過，個(gè)人表示懷疑。。。

9. 焊接的焊錫量

這個(gè)種說法感覺就更不靠譜了，但真的有人在晶振引腳上多加了點(diǎn)焊錫晶振就能起振了。從原理上說，多加點(diǎn)焊錫確實(shí)會(huì)改變晶振和PCB間的寄生參數(shù)，但我感覺影響微乎其微。。。可能晶振已經(jīng)徘徊在臨界值的邊緣了，這種做法才會(huì)起到一點(diǎn)作用。

10. 使用有源晶振

個(gè)人認(rèn)為這是一勞永逸解決晶振不起振問題的不二法門！有人對(duì)STM32的RTC晶振不易起振的原因做了一個(gè)解釋，即出于低功耗的考慮，STM32對(duì)晶振的驅(qū)動(dòng)功率比較低，所謂“好鼓不用重錘”，一些差的晶振就需要更高的驅(qū)動(dòng)功率，所以不易起振。我認(rèn)為這種解釋是有道理的。使用有源晶振則不存在驅(qū)動(dòng)功率的問題，如果問題確實(shí)是因?yàn)轵?qū)動(dòng)功率造成的，那使用有源晶振毫無疑問可以徹底解決問題。而且目前網(wǎng)上還沒看到說有源晶振不起振的求助帖。但是有源晶振通常比較昂貴，甚至要比一顆外置的RTC芯片還要貴。至于這個(gè)問題的取舍，就要看各位看官自己的想法了。