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的電子振蕩器電路，即當電場施加在某些材料上時，它會產(chǎn)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(chǎn)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(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(guān)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(nèi)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(nèi)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(wǎng)，以保護晶體免受機械損壞。
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(zhì)量、更低的成本和更小的尺寸。下面主要對晶體振蕩器相關(guān)技術(shù)術(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(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。更詳細內(nèi)容請關(guān)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(qū)動功率
驅(qū)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(qū)動功率超額時，頻率—時間性能會出現(xiàn)不正常特性。在設(shè)計振蕩電路時，zui好檢查一下驅(qū)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(nèi)部的時鐘電路產(chǎn)生振蕩，其自身無法振蕩。
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