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晶振工作原理及參數(shù)詳解

晶振又稱石英晶體，是電子產(chǎn)品中最常用的元件之一，主要用于振蕩器電路中。晶振主要由晶片、導(dǎo)電膠、電極等器件組成，常見(jiàn)的HC49S、HC49U型晶振的結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1、圖2所示。

晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。

晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。

晶振是石英晶體諧振器（quartz crystal oscillator）的簡(jiǎn)稱，也稱有源晶振，它能夠產(chǎn)生中央處理器（CPU）執(zhí)行指令所必須的時(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。

只要是包含CPU的電子產(chǎn)品，都至少包含一個(gè)時(shí)鐘源，就算外面看不到實(shí)際的振蕩電路，也是在芯片內(nèi)部被集成，它被稱為電路系統(tǒng)的心臟。

如下圖所示的有源晶振，在外部施加適當(dāng)?shù)碾妷汉?，就可以輸出預(yù)先設(shè)置好的周期性時(shí)鐘信號(hào)，

這個(gè)周期性輸出信號(hào)的標(biāo)稱頻率（Normal Frequency），就是晶體元件規(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。

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晶振，表示它的頻率偏差為12×20Hz=±240Hz，即頻率范圍是（11999760～12000240Hz）

另外，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。

我們經(jīng)常還看到其它的一些參數(shù)，比如負(fù)載電容、諧振電阻、靜電容等參數(shù)，是神馬情況？這些與晶體的物理特性有關(guān)。我們先了解一下晶體，如下圖所示

石英晶體有一種特性，如果在晶片某軸向上施加壓力時(shí)，相應(yīng)施力的方向會(huì)產(chǎn)生一定的電位

相反的，在晶體的某些軸向施加電場(chǎng)時(shí)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；

如果在石英晶片上加上交變電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械形變振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，盡管這種交變電場(chǎng)的電壓極其微弱，但其振動(dòng)頻率是十分穩(wěn)定的。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（與切割后的晶片尺寸有關(guān)，晶體愈薄，切割難度越大，諧振頻率越高）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”。

將石英晶片按一定的形狀進(jìn)行切割后，再用兩個(gè)電極板夾住就形成了無(wú)源晶振，其符號(hào)圖如下所示：

下圖是一個(gè)在諧振頻率附近有與晶體諧振器具有相同阻抗特性的簡(jiǎn)化電路。

其中：C1為動(dòng)態(tài)等效串聯(lián)電容；

L1為動(dòng)態(tài)等效串聯(lián)電感；

R1為動(dòng)態(tài)等效串聯(lián)電阻，它是晶體內(nèi)部摩擦性當(dāng)量

C0為靜態(tài)電容，相當(dāng)于兩個(gè)電極板之間的電容量；

這個(gè)等效電路有如下圖所示的頻響特性曲線：

當(dāng)R1、L1、C1串聯(lián)支路發(fā)生諧振的頻率即串聯(lián)諧振頻率（Fr），此時(shí)容抗與感抗相互抵消，因此，支路相當(dāng)于只有等效串聯(lián)電阻R1。

這個(gè)頻率是晶體的自然諧振頻率，它在高穩(wěn)晶振的設(shè)計(jì)中，是作為使晶振穩(wěn)定工作于標(biāo)稱頻率、確定頻率調(diào)整范圍、設(shè)置頻率微調(diào)裝置等要求時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)（但不是標(biāo)稱頻率），其表達(dá)式如下所示：