晶振是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中關(guān)鍵，通常在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，晶振都當(dāng)作數(shù)字電路中的心臟部分，數(shù)字電路的所有工作都離不開(kāi)時(shí)鐘信號(hào)，而恰好晶振便是直接控制整個(gè)系統(tǒng)正常啟動(dòng)的那個(gè)關(guān)鍵按鈕，可以說(shuō)要是有數(shù)字電路設(shè)計(jì)的地方就可以看到晶振。

一．什么是晶振？

晶振一般是指石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器兩種，也可以直接叫晶體振蕩器。都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。

晶振的工作原理是這樣的：在晶體兩個(gè)電極上加上電場(chǎng)后，晶體會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，相反的，若是在晶體的兩端加上機(jī)械壓力后，晶體又會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。這種現(xiàn)象是可逆的，所以利用晶體的這種特性，在晶體兩端加上交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。但是晶體產(chǎn)生的這種振動(dòng)和電場(chǎng)一般都會(huì)很小，但只要在某個(gè)特定頻率下，振幅就會(huì)明顯增大，就類(lèi)似我們電路設(shè)計(jì)者常能見(jiàn)到的LC回路諧振同理。

二．晶振的分類(lèi)（有源晶振和無(wú)源晶振）

①無(wú)源晶振

無(wú)源晶振為晶體，一般是2引腳的無(wú)極性器件（部分無(wú)源晶振有無(wú)極性的固定引腳）。

無(wú)源晶振一般需借助于負(fù)載電容形成的時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)（正弦波信號(hào)）。

②有源晶振

有源晶振為振蕩器，通常是4個(gè)引腳。有源晶振不需要CPU的內(nèi)部振蕩器，產(chǎn)生方波信號(hào)。有源晶振供電便能產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

有源晶振信號(hào)穩(wěn)定，質(zhì)量較好，而且連接方式比較簡(jiǎn)單，精度誤差比無(wú)源晶振更小，價(jià)格比無(wú)源晶振更貴。

三．晶振的等效電路

事實(shí)上，晶振的作用就像一個(gè)串聯(lián)的RLC電路。

晶振的等效電路顯示了一個(gè)串聯(lián)的RLC電路，表示晶振的機(jī)械振動(dòng)，與一個(gè)電容并聯(lián)表示與晶振的電氣連接，而晶振振蕩器便朝著串聯(lián)諧振運(yùn)行工作。

其中，R是ESR等效串聯(lián)電阻，L和C分別是等效電感和電容，Cp為寄生電容。

四．晶振的基本參數(shù)

一般晶振的基本參數(shù)有：工作溫度、精度值、匹配電容、封裝形式、核心頻率等。

晶振的核心頻率：一般晶振頻率的選擇取決于頻率元器件的要求規(guī)定，像MCU一般是一個(gè)范圍，大部分都是從4M到幾十M不等。

晶振的精度：晶振的精度普遍在±5PPM、±10PPM、±20PPM、±50PPM等，高精度的時(shí)鐘芯片一般在±5PPM之內(nèi)，一般運(yùn)用都會(huì)選擇在±20PPM左右。

晶振的匹配電容：通常通過(guò)調(diào)整匹配電容的值，可以更改晶振的核心頻率，目前在做高精度晶振時(shí)，都是用該方法來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

五．晶振在PCB板的設(shè)計(jì)布局

作為數(shù)字電路中的心臟，晶振影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)晶振的選擇，決定了數(shù)字電路的成敗。

由于晶振內(nèi)部存在石英晶體，受到外部撞擊等情況造成晶體斷裂，很容易造成晶振不啟振，所以通常在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮晶振的可靠安裝，其位置盡量不要靠近板邊、設(shè)備外殼等地方。PCB對(duì)晶振布局時(shí)通常注意以下幾點(diǎn)：

①晶振不能距離板邊太近、晶振的外殼必須接地，否則易導(dǎo)致晶振輻射雜訊。

在板卡設(shè)計(jì)時(shí)尤其需要注意這點(diǎn)。外殼接地可以避免晶振向外輻射，同時(shí)可以屏蔽外來(lái)信號(hào)對(duì)晶振的干擾。如果一定要布置在PCB邊緣，可以在晶振印制線(xiàn)邊上再布一根GND線(xiàn)，同時(shí)在包地線(xiàn)上間隔一段距離就打過(guò)孔，將晶振包圍起來(lái)。

②晶振下方不能布信號(hào)線(xiàn)，否則易導(dǎo)致信號(hào)線(xiàn)耦合晶振諧波雜訊。

保證完全鋪地，同時(shí)在晶振的300mil范圍內(nèi)不要布線(xiàn)，這樣可以防止晶振干擾其他布線(xiàn)、元器件和層的性能。

③若濾波器件放在晶振下方，且濾波電容與匹配電阻未按照信號(hào)流向排布，會(huì)使濾波器的濾波效果變差。

耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳，按電源流入方向，依容值從大到小順序擺放。

④時(shí)鐘信號(hào)的走線(xiàn)應(yīng)盡量簡(jiǎn)短，線(xiàn)寬大一些，在布線(xiàn)長(zhǎng)度和遠(yuǎn)離發(fā)熱源上尋找平衡。

以下圖布局為例，晶振的布局方式會(huì)相對(duì)更優(yōu)：

①晶振的濾波電容與匹配電路靠近MCU芯片位置，遠(yuǎn)離板邊。

②晶振的濾波電容與匹配電阻按照信號(hào)流向排布，靠近晶振擺放整齊緊湊。

③晶振靠近芯片處擺放，到芯片的走線(xiàn)盡量短而直。

在電路系統(tǒng)中，高速時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)優(yōu)先級(jí)最高。時(shí)鐘線(xiàn)是一個(gè)敏感信號(hào)，頻率越高，要求走線(xiàn)盡量簡(jiǎn)短，以保證信號(hào)的失真度達(dá)到最小。

因?yàn)楝F(xiàn)在很多電路中，系統(tǒng)晶振時(shí)鐘頻率很高，所以干擾諧波出來(lái)的能量也強(qiáng)，諧波除了會(huì)從輸入與輸出兩條線(xiàn)導(dǎo)出來(lái)外，也會(huì)從空間輻射出來(lái)，這也導(dǎo)致若PCB中對(duì)晶振的布局不夠合理，會(huì)很容易造成很強(qiáng)的雜散輻射問(wèn)題，并且一旦產(chǎn)生，很難再通過(guò)其他方法來(lái)解決，所以在PCB板布局時(shí)對(duì)晶振和CLK信號(hào)線(xiàn)布局非常重要。

審核編輯：黃飛