晶振決定數(shù)字電路的生與死

晶振，在板子上看上去一個(gè)不起眼的小器件，但是在數(shù)字電路里，就像是整個(gè)電路的心臟。數(shù)字電路的所有工作都離不開(kāi)時(shí)鐘，晶振的好壞，晶振電路設(shè)計(jì)的好壞，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以更多的了解晶振，選擇好系統(tǒng)使用的晶振，對(duì)數(shù)字電路來(lái)說(shuō)是決定成敗的第一步。

我們目前常說(shuō)的晶振都是石英晶體振蕩器或者石英晶體諧振器的簡(jiǎn)稱。他們都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。在石英晶體的兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形，反之，如果在晶體兩側(cè)施加機(jī)械壓力就會(huì)在晶體上產(chǎn)生電場(chǎng)。并且，這兩種現(xiàn)象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側(cè)施加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。這種震動(dòng)和電場(chǎng)一般都很小，但是在某個(gè)特定頻率下，振幅會(huì)明顯加大，這就是壓電諧振，和我們常見(jiàn)到的LC回路諧振有些類似。

下圖是晶振的電氣等效電路和電抗頻率特性曲線圖：

從圖中可以看出，當(dāng)LCR這個(gè)支路發(fā)生串聯(lián)諧振的時(shí)候，其串聯(lián)諧振頻率為fs，其計(jì)算公式和普通的串聯(lián)諧振計(jì)算公式一樣：

當(dāng)頻率繼續(xù)提高，高于fs時(shí)，LCR支路呈感性，這樣和C0產(chǎn)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振頻率fp，其計(jì)算公式為：

其中由于晶振的特性，C遠(yuǎn)小于C0，所以fp和fs的值非常接近。通過(guò)電抗頻率特性曲線圖可以看出來(lái)，在這個(gè)狹窄的頻率范圍內(nèi)，晶振整體表現(xiàn)出感性，這樣只需要在晶振外部并聯(lián)合適的電容，就可以組成并聯(lián)諧振電路。然后把這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路。這個(gè)合適的電容就是晶振的負(fù)載電容。

上圖就是一個(gè)常見(jiàn)的晶振振蕩電路，晶振和C1、C2組成并聯(lián)諧振回路，接到芯片的管腳上，芯片內(nèi)部的反相放大器和Rf組成負(fù)反饋回路，R1用來(lái)限制流入晶振的電流。有些芯片會(huì)把Rf和R1集成到器件中，這樣就降低了電路設(shè)計(jì)的難度。，并且保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。晶振的重要參數(shù)就是負(fù)載電容，選擇與負(fù)載電容相等的電容并聯(lián)，能保證晶振工作在額定頻率。假如晶振的負(fù)載電容是15pf，那么C1、C2我們可以選擇30pf，考慮到芯片管腳電容和PCB走線電容的影響，這個(gè)取值也可以適當(dāng)減小，27pf，22pf一般也能正常工作。在滿足起震要求的情況下，C1、C2可以選擇的盡量小，這樣可以加快晶振的起震時(shí)間。需要注意的是，有些晶振廠商會(huì)直接提供C1、C2的推薦值，而不是給出負(fù)載電容，所以在實(shí)際使用的時(shí)候還是要根據(jù)使用的具體型號(hào)去和廠家確認(rèn)。

晶振除了壓電效應(yīng)以外，還有一個(gè)不能被忽略的特性，就是溫漂。晶振的振蕩頻率會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化發(fā)生微小的偏移，這是晶振固有的特性。正是由于溫漂的存在，普通晶振的精度很難做的很高，常見(jiàn)的晶振精度多為40ppm，20ppm，很難做到10ppm以下。這種精度在一些對(duì)晶振精度要求不高的場(chǎng)合，如微處理器的時(shí)鐘輸入等，完全能夠滿足需求。但是在無(wú)線通信，蜂窩應(yīng)用，廣播電視等應(yīng)用領(lǐng)域，需要時(shí)鐘精確同步，普通晶振就很難滿足系統(tǒng)需求了。為了解決溫漂帶來(lái)的影響，系統(tǒng)就要選擇精度更高的溫補(bǔ)晶振或者恒溫晶振。溫補(bǔ)晶振是通過(guò)感應(yīng)環(huán)境溫度，然后將溫度信息轉(zhuǎn)換成控制量控制晶振的輸出頻率?，F(xiàn)在的溫補(bǔ)晶振多采用數(shù)字化技術(shù)，能夠達(dá)到更精確的控制。而恒溫晶振更進(jìn)一步，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過(guò)設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，使恒溫槽保持一個(gè)恒溫的狀態(tài)，晶體在恒溫槽內(nèi)就可以不受外界溫度的影響，大大提高晶振輸出頻率的穩(wěn)定度。溫補(bǔ)晶振和恒溫晶振的輸出精度都能夠達(dá)到1ppm甚至更高。能夠滿足嚴(yán)苛的系統(tǒng)需求。

由于晶振在數(shù)字電路中的重要性，在使用和設(shè)計(jì)的時(shí)候我們需要小心處理：

a. 晶振內(nèi)部存在石英晶體，所以在受到外部撞擊或者跌落的時(shí)候容易造成石英晶體斷裂破損造成晶振失效。在設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮晶振的可靠安裝以及位置盡量不要靠近板邊，設(shè)備外殼等等。

b. 在手工焊接或者機(jī)器焊接的時(shí)候要注意焊接溫度，晶振對(duì)溫度比較敏感，焊接時(shí)溫度不能過(guò)高，并且加熱時(shí)間盡量短。

c. 設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量縮短晶振部分的走線，晶振走線和其他信號(hào)線之間保留盡量遠(yuǎn)的距離，并且推薦將晶振的外殼接地，這些措施都能更好的避免干擾。

d. 謹(jǐn)慎選擇C1、C2的容值。盡量按照廠家提供的推薦值設(shè)計(jì)。在滿足起震要求的前提下，C1、C2的取值可以盡量小，能縮短晶振起震時(shí)間。

e. 注意晶振是否被過(guò)驅(qū)動(dòng)，過(guò)驅(qū)動(dòng)會(huì)影響晶振使用壽命。如果用示波器測(cè)試發(fā)現(xiàn)晶振的輸出被削波，波峰波谷被削平，那么就要考慮晶振是否被過(guò)驅(qū)動(dòng)?？梢赃m當(dāng)調(diào)整R1限流電阻的阻值。直到輸出完整的正弦波。

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