晶振電路的原理和作用

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(nèi)部結(jié)構(gòu)，晶振的工作應(yīng)用以及影響晶振頻率相關(guān)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(yīng)的電子振蕩器電路，即當(dāng)電場(chǎng)施加在某些材料上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。因此，它利用壓電材料的振動(dòng)晶體的機(jī)械共振來產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號(hào)。

晶體振蕩器具有高穩(wěn)定性、品質(zhì)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(zhuǎn)叉等。

晶振實(shí)物圖

電路符號(hào)：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(hào)如圖所示。

晶振的電路符號(hào)

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(dāng)受到電壓電位的影響時(shí)，它將開始以其“基本頻率”振動(dòng)和振蕩，這是一種相互關(guān)系：電路支持機(jī)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(nèi)部是怎么樣的?

如下圖所示，整個(gè)晶體被金屬外殼覆蓋。

晶振內(nèi)部圖

拆下這個(gè)金屬外殼后，我們可以看到一個(gè)像毯子一樣的網(wǎng)，以保護(hù)晶體免受機(jī)械損壞。

晶振內(nèi)部圖

在下圖中，我們可以看到外部金屬外殼內(nèi)的網(wǎng)狀外殼和晶振放置在其中。

晶振內(nèi)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(yīng)的電子振蕩器。它利用具有壓電特性的振動(dòng)晶體的機(jī)械共振，以獲得具有高精度頻率的電信號(hào)。晶體振蕩器被認(rèn)為優(yōu)于陶瓷諧振器，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩姆€(wěn)定性、更高的質(zhì)量、更低的成本和更小的尺寸。下面主要對(duì)晶體振蕩器相關(guān)技術(shù)術(shù)語簡(jiǎn)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(diǎn)阻抗變?yōu)殡娮钑r(shí)的較低頻率點(diǎn)。

圖. 晶體諧振器共振特性

阻抗Z變?yōu)殡娮柙r(shí)，兩點(diǎn)之間的頻率。在這兩點(diǎn)上，相為0。其中頻率較低的點(diǎn)稱為共振頻率。另外一個(gè)點(diǎn)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(fù)載電容 (Cs)

讓晶體諧振器具有負(fù)載共振頻率的電容。在實(shí)際振蕩電路中，連接晶體諧振器的實(shí)際電容是由外部負(fù)載電容、IC雜散和PCB等產(chǎn)生的。也可用下述公式進(jìn)行計(jì)算:

5.負(fù)載共振頻率 (fL)

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

也可用下述公式進(jìn)行計(jì)算:

6.拉敏性

上面的圖顯示了負(fù)載電容變化產(chǎn)生的負(fù)載共振頻率 (fL) 偏移。此圖中每個(gè)點(diǎn)的斜率就是拉敏性。參見下面的圖。在負(fù)載電容為6pF時(shí)，拉敏性是-17ppm/pF。(負(fù)載電容變化1pF時(shí)，頻移為17ppm)。也可用下述公式進(jìn)行計(jì)算:

7.導(dǎo)納圓

下圖是在導(dǎo)納平面坐標(biāo) (電導(dǎo)—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(dǎo)納圓。在頻率低于共振頻率時(shí)，導(dǎo)納靠近原點(diǎn)。在頻率增加時(shí)，導(dǎo)納按順時(shí)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(shù)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(xì)內(nèi)容請(qǐng)關(guān)注本系列講座第二講。

9.負(fù)阻 (-R)

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

10.驅(qū)動(dòng)功率

驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)功率超額時(shí)，頻率—時(shí)間性能會(huì)出現(xiàn)不正常特性。在設(shè)計(jì)振蕩電路時(shí)，zui好檢查一下驅(qū)動(dòng)功率。

11.C-MOS逆變器

C-MOS是互補(bǔ)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(shí)鐘信號(hào)，通常晶振應(yīng)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(shí)鐘頻率運(yùn)行。常應(yīng)用在單片機(jī)、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(gè)電容，每個(gè)電容的另一端再連接到地，將形成一個(gè)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(gè)完整的諧振振蕩器。無源晶振需借助芯片內(nèi)部的時(shí)鐘電路產(chǎn)生振蕩，其自身無法振蕩。