晶振是干什么用的?晶振的作用和原理，一文帶你搞懂晶振

這里主要是給大家講一下什么是晶振?晶振是怎么制成的?晶振的內部結構，晶振的工作應用以及影響晶振頻率相關的參數(shù)。

一、什么是晶振?

定義：晶振一般指石英晶體振蕩器，也叫晶體振蕩器。

晶體振蕩器是一種使用逆壓電效應的電子振蕩器電路，即當電場施加在某些材料上時，它會產生機械變形。因此，它利用壓電材料的振動晶體的機械共振來產生具有非常精確頻率的電信號。

晶體振蕩器具有高穩(wěn)定性、品質因數(shù)、小尺寸和低成本，這使得它們優(yōu)于其他諧振器，如 LC 電路、陶瓷諧振器、轉叉等。

晶振實物圖

電路符號：晶振是電子電路中最常用的電子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z”表示，單位為Hz，晶振的圖形符號如圖所示。

晶振的電路符號

二、晶振是怎么制成的?--如何從石英毛坯變成晶振?

石英毛坯在振蕩電路中用作諧振元件，當受到電壓電位的影響時，它將開始以其“基本頻率”振動和振蕩，這是一種相互關系：電路支持機械共振，反之亦然。晶體用于振蕩器的反饋回路中，以限制振蕩器的頻率。

下圖為從原始石英晶體材料到封裝為最終晶振圖。

從原始石英晶體坯料到封裝為最終的晶振圖

三、晶振內部是怎么樣的?

如下圖所示，整個晶體被金屬外殼覆蓋。

晶振內部圖

拆下這個金屬外殼后，我們可以看到一個像毯子一樣的網，以保護晶體免受機械損壞。

晶振內部圖

在下圖中，我們可以看到外部金屬外殼內的網狀外殼和晶振放置在其中。

晶振內部圖

去除金屬覆蓋物后，我們可以看到石英晶體板及其與外部電極的連接方式，如下圖所示。

晶振也就是晶振振蕩器，是一種利用晶體作為頻率選擇元件來獲得逆壓電效應的電子振蕩器。它利用具有壓電特性的振動晶體的機械共振，以獲得具有高精度頻率的電信號。晶體振蕩器被認為優(yōu)于陶瓷諧振器，因為它們具有更高的穩(wěn)定性、更高的質量、更低的成本和更小的尺寸。下面主要對晶體振蕩器相關技術術語簡要介紹，供大家參考。

1.共振頻率

在晶體諧振器的共振特性中，共振頻率是兩點阻抗變?yōu)殡娮钑r的較低頻率點。

圖. 晶體諧振器共振特性

阻抗Z變?yōu)殡娮柙r，兩點之間的頻率。在這兩點上，相為0。其中頻率較低的點稱為共振頻率。另外一個點稱為反共振頻率。

2.等效電路

下圖所示的是由電阻、電感和電容組成的晶體諧振器的共振特性。R1在等效電路中稱為等效串聯(lián)電阻，是晶體諧振器的重要特性。

3.等效串聯(lián)電阻 (R1)

晶體諧振器等效電路串聯(lián)支路中的電阻。

4.負載電容 (Cs)

讓晶體諧振器具有負載共振頻率的電容。在實際振蕩電路中，連接晶體諧振器的實際電容是由外部負載電容、IC雜散和PCB等產生的。也可用下述公式進行計算:

5.負載共振頻率 (fL)

負載共振頻率是晶體諧振器中負載電容串聯(lián)的共振頻率，這一頻率比共振頻率高。由于實際值與晶體諧振器規(guī)范中額定值之間的電容差，所以實際和額定振蕩頻率間存在頻差。

也可用下述公式進行計算:

6.拉敏性

上面的圖顯示了負載電容變化產生的負載共振頻率 (fL) 偏移。此圖中每個點的斜率就是拉敏性。參見下面的圖。在負載電容為6pF時，拉敏性是-17ppm/pF。(負載電容變化1pF時，頻移為17ppm)。也可用下述公式進行計算:

7.導納圓

下圖是在導納平面坐標 (電導—電納) 上繪制的晶體諧振器共振特征。由于畫成了圓形，因此稱為導納圓。在頻率低于共振頻率時，導納靠近原點。在頻率增加時，導納按順時針方向畫圓。

8.振蕩裕量

即振蕩停止的裕量，這也是振蕩電路中zui重要的術語。振蕩裕量取決于組成振蕩電路的元件 (晶體諧振器、MCU、電容器以及電阻器) 。村田推薦維持5倍或更大的振蕩裕量。更詳細內容請關注本系列講座第二講。

9.負阻 (-R)

負阻是用阻抗表示的振蕩電路信號放大能力。由于其作用與電阻相反，所以是負值。負阻較高值小說明振蕩電路的放大能力低。振蕩電路中的負阻取決于CMOS逆變器的特性、反饋電阻、阻尼電阻和外部負載電容。

10.驅動功率

驅動功率是指振蕩電路中晶體諧振器的功耗。它不僅取決于晶體諧振器的等效串聯(lián)電阻，還取決于組成振蕩電路的元件 (MCU、電容和電阻) 。在驅動功率超額時，頻率—時間性能會出現(xiàn)不正常特性。在設計振蕩電路時，zui好檢查一下驅動功率。

11.C-MOS逆變器

C-MOS是互補MOS，組成了相互連接的p和n型MOSFET。在下圖中起到逆變器 (邏輯逆變電路NOT) 的作用。

晶振有什么用?

晶振可為電路提供基本的時鐘信號，通常晶振應用在電路系統(tǒng)中，有利于各部分保持同步，沒有晶振支持，部分微處理芯片將無法工作，晶振通常與鎖相環(huán)電路配套使用，以支持電路系統(tǒng)所需的時鐘頻率運行。常應用在單片機、DSP、ARM等電路及接口。

晶振電路由哪部分組成?

通常晶振振蕩電路是在反相放大器兩端接入，晶振兩端并聯(lián)連接兩個電容，每個電容的另一端再連接到地，將形成一個正弦波振蕩電路。

晶體振蕩器分為有源晶振和無源晶振。有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。無源晶振需借助芯片內部的時鐘電路產生振蕩，其自身無法振蕩。