Author: Jackie Long

有經(jīng)驗(yàn)的工程師都曾經(jīng)使用過晶體（也稱無源晶振）或晶振（也稱有源晶振），最經(jīng)典的晶體應(yīng)用電路就是51單片機(jī)最小系統(tǒng)，它產(chǎn)生單片機(jī)執(zhí)行指令所必須的時(shí)鐘頻率信號(hào)，單片機(jī)的一切指令執(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，通常單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。

我們都知道，晶振都有一個(gè)標(biāo)稱頻率（Normal Frequency）參數(shù)晶振，比如12M、8M、32768等等，也就是晶振元件規(guī)格書中所給出的頻率，也是工程師在電路設(shè)計(jì)和元件選購時(shí)首要關(guān)注的參數(shù)，然而這個(gè)標(biāo)稱頻率到底是什么呢？

有人說：這個(gè)標(biāo)稱頻率是石英晶片的諧振頻率，與石英晶片的具體尺寸有關(guān)！

好像有點(diǎn)道理哈，我們從頭來看看。

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)，其表達(dá)式如下所示：

但是這個(gè)頻率Fr還不是我們?cè)?strong>晶振規(guī)格書上看到的標(biāo)稱頻率哦！

等效電路還有一個(gè)反諧振頻率fL（并聯(lián)諧振頻率），此時(shí)串聯(lián)支路呈現(xiàn)為感抗，相當(dāng)于一個(gè)電感，如下圖所示：

此時(shí)的頻率如下圖所示：

通常廠家的晶振元件數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的標(biāo)稱頻率不是Fr或FL，實(shí)際的晶體元件應(yīng)用于振蕩電路中時(shí)，它一般還會(huì)與負(fù)載電容相聯(lián)接，共同作用使晶體工作于Fr和FL之間的某個(gè)頻率晶振，這個(gè)頻率由振蕩電路的相位和有效電抗確定，通過改變電路的電抗條件，就可以在有限的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)晶體頻率。

當(dāng)負(fù)載電容與晶體串聯(lián)時(shí)，如下圖所示：

串接的小電容CL可以使石英晶體的諧振頻率在一個(gè)小范圍內(nèi)調(diào)整，此時(shí)新的負(fù)載諧振頻率如下式所示：

其中，C1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C0+CL

當(dāng)負(fù)載電容與晶體并聯(lián)時(shí)，如下圖所示：

同樣，并聯(lián)的負(fù)載CL也可以小范圍調(diào)整諧振頻率，相應(yīng)的負(fù)載諧振頻率如下式：

從實(shí)際效果上看，對(duì)于給定的負(fù)載電容值，F(xiàn)'r與F'L兩個(gè)頻率是相同的，這個(gè)頻率是晶體的絕大多數(shù)應(yīng)用時(shí)所表現(xiàn)的實(shí)際頻率，也是制造廠商為滿足用戶對(duì)產(chǎn)品符合標(biāo)稱頻率要求的測(cè)試指標(biāo)參數(shù)，也就是本文最開頭介紹的晶振標(biāo)稱頻率。

關(guān)于晶振的匹配電容計(jì)算公式，可參考文章"硬件工程師面試概率最高的問題：晶振的匹配電容計(jì)算公式"

文章由啟和科技編輯