晶振的工作原理解析

相信很多人都聽說(shuō)過(guò)晶振，那么何為晶振，它的工作原理又是怎么一回事?你知道晶振的主要參數(shù)以及工作原理嗎?如果你對(duì)這些問題存在一定疑惑，不妨看看本文帶來(lái)的有關(guān)晶振這四方面的內(nèi)容，讓本文幫你一次性掃清這些個(gè)障礙吧。

一、何為晶振ppm?

晶振全稱是晶體振蕩器，是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片)，石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振;而在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

電子元件是電路設(shè)計(jì)中一個(gè)很關(guān)鍵的所在，電路的精準(zhǔn)直接關(guān)乎使用這顆晶振的產(chǎn)品的質(zhì)量問題，但是最重要的體現(xiàn)在于一個(gè)小參數(shù)那就是晶振的ppm值，即精度電容值。精度值越低表明這顆電子元件越精度越精確，使用起來(lái)越耐用和反應(yīng)出來(lái)的效果就越好。那么，你知道晶振電路中的ppm嗎?ppm這個(gè)小參數(shù)，是如何產(chǎn)生大作用的。

二、晶振ppm誤差公式

1：120ppm，27M的晶振，頻率的誤差 = 120/100萬(wàn)*27M=3240Hz

晶振的精度決定時(shí)鐘的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度。

2：所配晶振頻率：32772.2HZ，誤差為+1.2ppm

一年的誤差計(jì)算過(guò)程為：

Δf = +1.2/100萬(wàn)*32772.2

Δt/秒= Δf/32772.2 = 1.2/100萬(wàn)

一年的誤差 = Δt*24*3600*365 = 37.8秒

三、晶振的主要參數(shù)

晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率、老化率、頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、相位噪聲、功耗等。

1、標(biāo)稱頻率：是指晶振的標(biāo)稱輸出頻率;

2、頻率準(zhǔn)確度：是指常溫(25度)下，所測(cè)晶振頻率相對(duì)標(biāo)稱頻率的差值。這一點(diǎn)是不太重要的;

3、頻率穩(wěn)定度：一般是指頻率溫度穩(wěn)定度，是指在晶振的工作溫度范圍內(nèi)頻率隨著溫度變化的大小，一般用PPM或PPB來(lái)標(biāo)示，1PPB=0.001PPM=1*10-9;

4、老化率：隨著時(shí)間的推移，頻率值隨著變化的大小;

5、相位噪聲：信號(hào)功率與噪聲功率的比率(C/N)，是表征頻率顫抖的技術(shù)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)雷達(dá)等設(shè)備會(huì)對(duì)相位噪聲有特殊要求;

6、晶體還有一個(gè)重要的特性就是“RR等效阻抗”，晶振長(zhǎng)出現(xiàn)停振現(xiàn)象。經(jīng)分析均為晶片阻值大于80歐姆。

四、晶振工作原理

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)皮法到幾十皮法。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十豪亨到幾百豪亨。晶片的彈性可用電容C來(lái)等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效，它的數(shù)值約為100歐。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

計(jì)算機(jī)都有個(gè)計(jì)時(shí)電路，盡管一般使用“時(shí)鐘”這個(gè)詞來(lái)表示這些設(shè)備，但它們實(shí)際上并不是通常意義的時(shí)鐘，把它們稱為計(jì)時(shí)器可能更恰當(dāng)一點(diǎn)。計(jì)算機(jī)的計(jì)時(shí)器通常是一個(gè)精密加工過(guò)的石英晶體，石英晶體在其張力限度內(nèi)以一定的頻率振蕩，這種頻率取決于晶體本身如何切割及其受到張力的大小。有兩個(gè)寄存器與每個(gè)石英晶體相關(guān)聯(lián)，一個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)保持寄存器。石英晶體的每次振蕩使計(jì)數(shù)器減1。當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，計(jì)數(shù)器從保持寄存器中重新裝入初始值。這種方法使得對(duì)一個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行編程，令其每秒產(chǎn)生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷)成為可能。每次中斷稱為一個(gè)時(shí)鐘嘀嗒。

晶振在電氣上可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯(lián)諧振，較高的頻率為并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。

一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。一般的晶振的負(fù)載電容為15皮或12.5皮，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)22皮的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。以上就是晶振的工作原理，需要工程師在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)。