晶振在電路板中扮演著不可或缺的角色，它幾乎存在于所有使用處理器的場合中，即便是沒有外接晶振，芯片內(nèi)部也集成了晶振。晶振即晶體振蕩器，是通過石英晶體的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)精確頻率控制的元器件，常見于各種電子設(shè)備中。晶振，即晶體振蕩器，是從石英晶體上精心切下的薄片，被簡稱為晶片。這種石英晶體諧振器，常被簡稱為石英晶體或晶體、晶振。而將IC與晶體元件組合成振蕩電路的晶體振蕩器，其產(chǎn)品通常采用金屬外殼進(jìn)行封裝，同時(shí)也有使用玻璃殼、陶瓷或塑料進(jìn)行封裝的情形。

晶振頻率穩(wěn)定重要性

頻率穩(wěn)定性是衡量振蕩器的輸出頻率在工作過程中由于溫度變化而可能發(fā)生的變化。如果頻率漂移超出了應(yīng)用程序的預(yù)期，定時(shí)誤差可能會(huì)出現(xiàn)。頻率穩(wěn)定性以百萬分之一或ppm表示，相對(duì)于特定溫度范圍內(nèi)的標(biāo)稱頻率。晶振的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性，其是決定振蕩器價(jià)格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬，器件的價(jià)格亦愈高。工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-40～+75℃這個(gè)范圍往往只是出于設(shè)計(jì)者們的習(xí)慣，倘若-30～+70℃已經(jīng)夠用，那么就不必去追求更寬的溫度范圍。設(shè)計(jì)工程師要慎重決定特定應(yīng)用的實(shí)際需要，然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)定度，指標(biāo)過高意味著費(fèi)用越高。

影響晶振的頻率穩(wěn)定性五大因素

1.晶振的老化率

影響老化的要素有很多，例如：質(zhì)量搬運(yùn)、晶體受到的應(yīng)力、熱膨脹、裝置受力、鍵合單元、晶振的驅(qū)動(dòng)電平以及DC偏置等都會(huì)影響到晶振的使用期限。老化是由于振蕩器內(nèi)部變化形成的頻率的 系統(tǒng)性變化。晶振經(jīng)過長時(shí)間緩慢老化，這導(dǎo)致輸出頻率緩慢漂移。 雖然老化影響頻率范圍只有幾PPM，但對(duì)于DTV或機(jī)頂盒這類需精確頻率系統(tǒng)的產(chǎn)品來說特別重要。

2.晶振的溫度

不同產(chǎn)品的訴求，對(duì)晶振溫度的訴求不一樣。晶振的溫度可分為民、企、工、航天等級(jí)別，溫度范圍在-40℃~+150℃，但是隨著升至極端溫度，額定頻率的變化開始增大，有可能達(dá)到幾十ppm，計(jì)算等應(yīng)用能夠承受這一點(diǎn)，但是對(duì)于導(dǎo)航、雷達(dá)、無線電通信、衛(wèi)星通信等對(duì)準(zhǔn)確度與精度要求極高的應(yīng)用來說，則無法接受這種巨大變化。因此，此類應(yīng)用需求在系統(tǒng)中還需增加額外的補(bǔ)償元件。

3. 晶振的激勵(lì)電平

如果激勵(lì)電平偏小，諧振器的長期穩(wěn)定性好。激勵(lì)電平過高，晶片振動(dòng)變強(qiáng)，振動(dòng)導(dǎo)致溫度升高，頻率穩(wěn)定度隨之降低，嚴(yán)重時(shí)晶片會(huì)振裂.

4. 晶振的負(fù)載電容

晶振必須與變化的負(fù)載匹配。如果晶體兩端的等效電容和標(biāo)稱負(fù)載電容存在差異，晶體輸出的頻率將會(huì)和標(biāo)稱工作頻率產(chǎn)生偏差。電路匹配電容CL1 CL2加上電路的雜散電容Cstray，越接近晶體的負(fù)載電容CL，晶體輸出的頻率則越精準(zhǔn)。

5. 晶振的電壓變化

晶振需要配合使用穩(wěn)壓電源，電壓變化會(huì)帶動(dòng)電阻變化。輸出電壓需要保持在電源的額定值。

晶振的振動(dòng)就像彈簧一樣，晶振的振動(dòng)頻率與晶振的面積、厚度、切割方向等有關(guān)。較長的擺動(dòng)較少，較厚的擺動(dòng)較慢，較軟的擺動(dòng)較慢，但太短，太薄，太難搖動(dòng)。

晶體振蕩器是機(jī)械振動(dòng)，具有決定振動(dòng)頻率的形狀、幾何尺寸和質(zhì)量等機(jī)械振動(dòng)特性。

晶振通常由石英或陶瓷材料和內(nèi)部芯片組成，晶振的頻率取決于芯片的厚度。首先，在制造過程中，晶片的尺寸和晶片的厚度與晶振的頻率密切相關(guān)，一般來說晶振的頻率越高，晶振越薄。需要晶圓。例如，40 MHz 晶體所需的晶圓厚度可以達(dá)到41.75 微米，但100 MHz 晶體需要16.7 微米的晶圓厚度。即使能達(dá)到厚度，損失也很大，成品后稍有下降就會(huì)破片。因此，一般來說，需要用三次諧波、五次諧波和七次諧波技術(shù)來獲得高頻晶體。例如，對(duì)于一個(gè)基頻為20 MHz 的晶振，在五次泛音之后可以得到一個(gè)100 MHz 的晶振。一般40MHz以下為基頻晶振，40MHz以上為泛音晶振。

因此，不難理解為什么很多有源晶振的頻率默認(rèn)是高頻的，為什么價(jià)格比較貴。有源晶振的成本不僅在于內(nèi)部芯片的薄，還在于振蕩器本身。

那么，基頻晶振和泛音晶振有什么區(qū)別呢?例如，基頻晶體必須連接到適當(dāng)?shù)碾娙萜鞑拍芄ぷ?，而泛音晶體必須與電感器和電容器一起使用才能產(chǎn)生泛音頻率。否則只有基頻可以振蕩。

泛音晶振介紹： 石英晶振是由石英制成，有不同尺寸和厚度的晶體對(duì)應(yīng)不同頻率的晶振，一般來說，晶振的頻率越高，需要的晶振越薄。例如，40 MHz 晶體所需的晶圓厚度可以達(dá)到41.75 微米，但100 MHz 晶體需要16.7 微米的晶圓厚度。即使能達(dá)到厚度，損失也很大，成品后稍有下降就會(huì)破片。因此，一般來說，需要用三次諧波、五次諧波和七次諧波技術(shù)來獲得高頻晶體。

例如，對(duì)于一個(gè)基頻為20 MHz 的晶振，在五次泛音之后可以得到一個(gè)100 MHz 的晶振。一般40MHz以下為基頻晶振，40MHz以上為泛音晶振。

晶振的頻率主要由以下幾個(gè)因素決定：

1. 晶體的材料：晶體的材料是影響晶振頻率的重要因素。不同材料的晶體，其振動(dòng)頻率有所不同。例如，常用的石英晶體(SiO2)具有較高的振動(dòng)頻率，而陶瓷晶體則相對(duì)較低。

2. 晶體的切割方式：晶體的切割方式也會(huì)影響其振動(dòng)頻率。不同切割方向的晶體，其振動(dòng)模式和振動(dòng)頻率都會(huì)有所不同。因此，在設(shè)計(jì)晶振時(shí)，需要根據(jù)所需的頻率選擇合適的切割方式。

3. 晶體的尺寸：晶體的尺寸(如厚度、長度、寬度等)也會(huì)對(duì)其振動(dòng)頻率產(chǎn)生影響。一般來說，晶體尺寸越大，振動(dòng)頻率越低;尺寸越小，振動(dòng)頻率越高。

4. 負(fù)載電容：晶振與電路中的負(fù)載電容有關(guān)。負(fù)載電容越大，晶振的振動(dòng)頻率越低;負(fù)載電容越小，振動(dòng)頻率越高。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)所需的頻率調(diào)整負(fù)載電容。

5. 溫度：晶振的頻率還受到溫度的影響。一般來說，溫度升高，晶振頻率會(huì)降低;溫度降低，振動(dòng)頻率會(huì)升高。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮溫度對(duì)晶振頻率的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

6. 電源電壓：電源電壓的穩(wěn)定性也會(huì)影響晶振的頻率。電源電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶振頻率的變化，因此需要確保電源電壓的穩(wěn)定性。

綜上所述，晶振的頻率由多個(gè)因素共同決定。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用晶振時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整這些因素，以獲得所需的頻率。同時(shí)，為了確保晶振的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，還需要對(duì)其進(jìn)行良好的封裝和保護(hù)，避免外界環(huán)境因素對(duì)晶體振動(dòng)的影響。在我國，晶振產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了顯著的成果，為電子設(shè)備的發(fā)展提供了有力支持。