在電子電路中，晶振是最常見的時(shí)鐘源之一。為了使晶振正常起振并穩(wěn)定運(yùn)行，必須根據(jù)其負(fù)載電容（Load Capacitance, 簡(jiǎn)稱 CL）合理設(shè)計(jì)電路中的外掛負(fù)載電容。不恰當(dāng)?shù)碾娙萜ヅ鋾?huì)導(dǎo)致晶振起振困難、頻率偏差增大，甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定。

本文將詳細(xì)解析晶振負(fù)載電容的含義、外掛電容的計(jì)算方法，以及電路設(shè)計(jì)中的實(shí)際注意事項(xiàng)。

一、什么是晶振的負(fù)載電容（CL）？

晶振廠商在數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常會(huì)標(biāo)出一個(gè)標(biāo)稱負(fù)載電容值 CL，比如 18pF、20pF、12pF 等，這代表晶體在該電容負(fù)載下被調(diào)校以達(dá)到其標(biāo)稱振蕩頻率。

??換句話說，只有在等效負(fù)載電容 = CL 的情況下，晶振才能輸出精確的頻率。

二、外掛電容如何影響負(fù)載電容？

晶振電路常見如下形式：

?C1 和 C2 是外掛到地的兩個(gè)電容（一般是貼片電容）；

?XTAL 兩端分別接至晶振的兩個(gè)引腳；

?實(shí)際上，晶振的等效負(fù)載電容 CL 是由 C1 和 C2 通過串聯(lián)，再考慮 PCB 板和封裝引入的寄生電容 Cp得到的。

三、計(jì)算公式：如何根據(jù) CL 推算外掛電容值？

等效負(fù)載電容（CL）的公式如下：

其中：

?C1、C2：外接到地的電容；

?Cp：PCB 板上走線、封裝等引入的寄生電容（通常為 2pF ~ 5pF，可通過仿真或經(jīng)驗(yàn)估算）；

?CL：晶振 datasheet 中給出的標(biāo)稱負(fù)載電容。

【舉例說明】

假設(shè)晶振規(guī)格為CL = 18pF，PCB 寄生電容 Cp ≈ 5pF，要反推合適的 C1 和 C2：

1.先代入公式：

2.假設(shè) C1 = C2 = C，公式簡(jiǎn)化為：

3.解得：

?所以，推薦外掛電容 C1 = C2 =27pF（標(biāo)準(zhǔn)值）。

四、為什么外掛電容不匹配會(huì)引發(fā)問題？

1.頻率偏移：如果外掛電容過小或過大，會(huì)使晶振偏離其標(biāo)稱頻率，造成系統(tǒng)時(shí)鐘偏差；

2.起振困難或不穩(wěn)定：負(fù)載過重會(huì)降低增益，可能導(dǎo)致晶振無法起振或頻率抖動(dòng)；

3.功耗增加：不合適的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致晶振電路能量消耗增加；

4.EMI增加：振蕩不穩(wěn)定時(shí)可能產(chǎn)生雜散頻率，影響系統(tǒng)電磁兼容性。

五、設(shè)計(jì)建議與工程實(shí)踐

1. 認(rèn)真查看晶振 datasheet

?明確 CL 值；

?明確建議的電路拓?fù)洌?/p>

?查是否推薦外掛電容值范圍。

2. 考慮實(shí)際板子環(huán)境

?使用 PCB 仿真或經(jīng)驗(yàn)估算 Cp；

?若使用高速或精密時(shí)鐘（如通信系統(tǒng)、MCU主頻>100MHz），建議做精確計(jì)算或測(cè)試。

3. 使用對(duì)稱電容

?一般建議 C1 = C2，使頻率居中、噪聲均衡；

?若有特殊匹配需求，也可不對(duì)稱設(shè)計(jì)。

4. 調(diào)試時(shí)可用貼片電容陣列

?可通過貼片電容（如10pF、15pF、22pF、27pF等）試配；

?利用頻譜儀或示波器檢查輸出穩(wěn)定性和頻率準(zhǔn)確性。

六、常見問題FAQ

結(jié)語(yǔ)

晶振的外掛負(fù)載電容設(shè)計(jì)是一個(gè)小而關(guān)鍵的細(xì)節(jié)，直接影響時(shí)鐘系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。理解 CL 與 C1/C2 之間的計(jì)算關(guān)系，并根據(jù)實(shí)際 PCB 寄生電容調(diào)整參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定起振和精準(zhǔn)頻率的關(guān)鍵。

在高速數(shù)字系統(tǒng)、通信設(shè)備或?qū)r(shí)鐘要求極高的系統(tǒng)中，合理選擇和匹配晶振負(fù)載電容是一項(xiàng)必須認(rèn)真對(duì)待的工程任務(wù)。

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