晶振負(fù)載電容的重要性

認(rèn)識晶振的重要性

晶振，全稱晶體振蕩器，它能夠產(chǎn)生中央處理器(CPU)執(zhí)行指令所必須要的時鐘頻率信號，CPU一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，時鐘信號頻率越高，通常CPU的運(yùn)行速度也就越快。 凡是包含CPU的電子產(chǎn)品，其中至少含有一個時鐘源，哪怕我們在電路板中看不到實(shí)際的振蕩電路，那也是晶振在芯片內(nèi)部被集成，往往被人們稱之為電路系統(tǒng)的心臟。一旦心臟停止跳動，整塊電路板可能出現(xiàn)癱瘓的狀況。因此晶振的質(zhì)量問題是很多廠商放在第一位的最終抉擇的考慮基礎(chǔ)!所以很多客戶對日系晶振有了十足的信任感，近年來臺系的TXC晶振在國內(nèi)廠商也有了較高的重視度。

晶振質(zhì)量的好壞由什么決定了?有人會說從外觀的嶄新程度分辨，或者是外包裝，又或者產(chǎn)品印字標(biāo)識。這一切真的能有助于我們分辨晶振的好壞嗎?廣瑞泰知道像晶振這樣的電子元器件拿在手上我們是無法判斷其好壞程度的，通常晶振人所指的壞即是在電路工作中晶振不起振，或者時而穩(wěn)定時而不穩(wěn)定的現(xiàn)象!那么這一切現(xiàn)象終究是歸根于質(zhì)量問題還是晶振參數(shù)?

晶振有幾個重要參數(shù)：

1，晶體元件規(guī)格書中所指定的頻率，也是工程師在電路設(shè)計和元件選購時首要關(guān)注的參數(shù)。晶振常用標(biāo)稱頻率在1～200MHz之間，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等，更高的輸出頻率也常用PLL(鎖相環(huán))將低頻進(jìn)行倍頻至1GHz以上。我們稱之為標(biāo)稱頻率。

2，輸出信號的頻率不可避免會有一定的偏差，我們用頻率誤差(Frequency Tolerance)或頻率穩(wěn)定度(Frequency Stability)，用單位ppm來表示，即百萬分之一(parts per million)(1/106)，是相對標(biāo)稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。比如，12MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為12×20Hz=±240Hz，即頻率范圍是(11999760～12000240Hz)

3，還有一個溫度頻差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定溫度范圍內(nèi)，工作頻率相對于基準(zhǔn)溫度時工作頻率的允許偏離，它的單位也是ppm。

4，另外，負(fù)載電容CL(Load capacitance)，它是電路中跨接晶體兩端的總的有效電容(不是晶振外接的匹配電容)，主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻，與晶體一起決定振蕩器電路的工作頻率，通過調(diào)整負(fù)載電容，就可以將振蕩器的工作頻率微調(diào)到標(biāo)稱值。更準(zhǔn)確而言，無源晶體的負(fù)載電容是一項非常重要的參數(shù)，因?yàn)闊o源晶體屬于被動元器件，所謂的被動元器件即是自身不能工作，需要外部元器件協(xié)助工作，無源晶體即是!

其中：

CS為晶體兩個管腳之間的寄生電容(又名晶振靜態(tài)電容或Shunt Capacitance)，在晶體的規(guī)格書上可以找到具體值，一般0.2pF~8pF不等。如圖二是某32.768KHz的電氣參數(shù)，其寄生電容典型值是0.85pF(在表格中采用的是Co)。

CG指的是晶體振蕩電路輸入管腳到GND的總電容，其容值為以下三個部分的和。

● 需加外晶振主芯片管腳芯到GND的寄生電容 Ci

● 晶體震蕩電路PCB走線到到GND的寄生電容CPCB

● 電路上外增加的并聯(lián)到GND的外匹配電容 CL1

CD指的是晶體振蕩電路輸入管腳到GND的總電容。容值為以下三個部分的和。

● 需加外晶振主芯片管腳芯到GND的寄生電容, Co

● 晶體震蕩電路PCB走線到到gnd的寄生電容，CPCB

● 電路上外增加的并聯(lián)到GND的外匹配電容, CL2

既然晶振的負(fù)載電容是一個非常重要的參數(shù)，如果此項參數(shù)與外部電容匹配不正確會導(dǎo)致什么樣的現(xiàn)象?晶振兩端的等效電容與晶振標(biāo)稱的負(fù)載電容匹配不正確，晶振輸出的諧振頻率將與標(biāo)稱工作的工作頻率會產(chǎn)生一定偏差(又稱之為頻偏)，負(fù)載電容(load capacitance)主要影響負(fù)載諧振頻率和等效負(fù)載諧振電阻，它與石英諧振器一起決定振蕩器的工作頻率，通過調(diào)整負(fù)載電容，一般可以將振蕩器的工作頻率調(diào)到標(biāo)稱值。應(yīng)用時我們一般外接電容，便是為了使晶振兩端的等效電容等于或接近負(fù)載電容，對于要求高的場合還要考慮ic輸入端的對地電容，這樣便可以使得晶振工作的頻率達(dá)到標(biāo)稱頻率。所以合理匹配合適的外加電容使晶振兩端的等效電容等于或接近負(fù)載電容顯得十分重要。

負(fù)載電容常用的標(biāo)準(zhǔn)值有12.5 pF，16 pF，20 pF，30pF,負(fù)載電容和諧振頻率之間的關(guān)系不是線性的，負(fù)載電容變小時，頻率偏差量變大;負(fù)載電容提高時，頻率偏差減小。圖3是一個晶體的負(fù)載電容和頻率的誤差的關(guān)系圖。

例外情況：

現(xiàn)在有很多芯片內(nèi)部已經(jīng)增加了補(bǔ)償電容(internal capacitance)，所以在設(shè)計的時候，只需要選按照芯片datasheet推薦的負(fù)載電容值的選擇晶體即可，不需要額外再加電容。但是因?yàn)閷?shí)際設(shè)計的寄生電路的不確定性，最好還是預(yù)留CL1/CL2的位置。