認(rèn)識(shí)晶振的重要性

晶振，全稱晶體振蕩器，它能夠產(chǎn)生中央處理器(CPU)執(zhí)行指令所必須要的時(shí)鐘頻率信號(hào)，CPU一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，通常CPU的運(yùn)行速度也就越快。 凡是包含CPU的電子產(chǎn)品，其中至少含有一個(gè)時(shí)鐘源，哪怕我們?cè)陔娐钒逯锌床坏綄?shí)際的振蕩電路，那也是晶振在芯片內(nèi)部被集成，往往被人們稱之為電路系統(tǒng)的心臟。一旦心臟停止跳動(dòng)，整塊電路板可能出現(xiàn)癱瘓的狀況。因此晶振的質(zhì)量問(wèn)題是很多廠商放在第一位的最終抉擇的考慮基礎(chǔ)!所以很多客戶對(duì)日系晶振有了十足的信任感，近年來(lái)臺(tái)系的TXC晶振在國(guó)內(nèi)廠商也有了較高的重視度。

晶振質(zhì)量的好壞由什么決定了?有人會(huì)說(shuō)從外觀的嶄新程度分辨，或者是外包裝，又或者產(chǎn)品印字標(biāo)識(shí)。這一切真的能有助于我們分辨晶振的好壞嗎?廣瑞泰知道像晶振這樣的電子元器件拿在手上我們是無(wú)法判斷其好壞程度的，通常晶振人所指的壞即是在電路工作中晶振不起振，或者時(shí)而穩(wěn)定時(shí)而不穩(wěn)定的現(xiàn)象!那么這一切現(xiàn)象終究是歸根于質(zhì)量問(wèn)題還是晶振參數(shù)?

晶振有幾個(gè)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(gòu)時(shí)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(hào)的頻率不可避免會(huì)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(lái)表示，即百萬(wàn)分之一(parts per million)(1/106)，是相對(duì)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(gè)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(duì)于基準(zhǔn)溫度時(shí)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(guò)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(wú)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(wú)源晶體屬于被動(dòng)元器件，所謂的被動(dòng)元器件即是自身不能工作，需要外部元器件協(xié)助工作，無(wú)源晶體即是!

其中：

CS為晶體兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(huì)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(huì)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(guò)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(shí)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(duì)于要求高的場(chǎng)合還要考慮ic輸入端的對(duì)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(shí)，頻率偏差量變大;負(fù)載電容提高時(shí)，頻率偏差減小。圖3是一個(gè)晶體的負(fù)載電容和頻率的誤差的關(guān)系圖。

例外情況：

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(shí)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。