一、簡介

晶振是數(shù)字電路的心臟，就是因為所有的數(shù)字電路都需要一個頻率高度穩(wěn)定的工作時鐘信號，為電路的工作提供時序基準(zhǔn)，使各個模塊的工作能夠有條不紊的進(jìn)行下去。而LC振蕩器穩(wěn)定性較差，頻率容易漂移（即產(chǎn)生的交流信號頻率容易變化），所以最常見的就是用晶振來解決，可以說只要有數(shù)字電路的地方就可以見到晶振。

在振蕩器中采用一個特殊的元件——石英晶體，可以產(chǎn)生高度穩(wěn)定的信號，這種采用石英晶體的振蕩器稱為晶體振蕩器。

二、符號

三、分類

晶振的分類： 晶體振蕩器也分為 無源晶振 和 有源晶振 兩種類型。

• 無源晶振crystal（簡稱晶體，也叫諧振器）：
  一般是直插兩個腳的無極性元件，需要借助時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號。常見的有49U、49S封裝。
  
• 有源晶振oscillator（簡稱晶振，也叫振蕩器）：
  一般是表貼四個腳的封裝，含有電源引腳、地引腳、頻率輸出引腳等，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號。一般分7050、5032、3225、2520幾種封裝形式。
  

區(qū)別：

• 價格：
  有源晶振比較貴，但是有源晶振自身就能震動。而無論是無源晶振，還是有源晶振，都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)所在，若考慮產(chǎn)品成本，建議可以選擇無源晶振電路；若考慮產(chǎn)品性能，建議選擇有源晶振電路，省時方便也能保證產(chǎn)品性能。
• 精度：
  無源晶振最高精度為5ppm，而有源晶振的精度則可以達(dá)到0.1ppm。精度越高，頻率穩(wěn)定性也更好。有源晶振在穩(wěn)定性上要勝過無源晶振，但也有自身小小的缺陷，有源晶振的信號電平是固定，所以需要選擇好合適輸出電平，靈活性較差。
• 封裝：
  有源晶振一般4個腳，一個電源，一個接地，一個信號輸出端，一個NC（空腳）。有個點(diǎn)標(biāo)記的為1腳，按逆時針（管腳向下）分別為2、3、4。
• 外部電路：
  無源晶振有2個引腳，需要借助于外部的時鐘電路(接到主IC內(nèi)部的震蕩電路)才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩。有源晶振含內(nèi)部的時鐘電路，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號。

四、工作原理

晶振具有壓電效應(yīng)，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產(chǎn)生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當(dāng)?shù)慕蛔冸妷?，晶片就會產(chǎn)生諧振（諧振頻率與石英斜面傾角等有關(guān)系，且頻率一定）。晶振利用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，在共振的狀態(tài)下工作可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。利用該特性，晶振可以提供較穩(wěn)定的脈沖，廣泛應(yīng)用于微芯片的時鐘電路里。晶片多為石英半導(dǎo)體材料，外殼用金屬封裝。

五、主要參數(shù)

• 標(biāo)稱頻率：
  不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，標(biāo)稱頻率大都標(biāo)注在晶振外殼上。一般核心頻率的選擇取決于頻率需求元件的要求，比如時鐘芯片就需要32.768KHz的晶振，MCU一般是一個范圍，基本上從4M到幾十M都有。

• 負(fù)載電容（CL）：
  負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接的集成電路（IC）內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負(fù)載電容不同，振蕩器的振蕩頻率不同。但標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。一般來說，有低負(fù)載電容（串聯(lián)諧振晶體）和高負(fù)載電容（并聯(lián)諧振晶體）之分。因此，標(biāo)稱頻率相同的晶體互換時還必須要求負(fù)載電容一致，不能輕易互換，否則會造成電路工作不正常。

• 頻率準(zhǔn)確度：
  頻率準(zhǔn)確度是指在標(biāo)稱電源電壓、標(biāo)稱負(fù)載阻抗、基準(zhǔn)溫度（25℃）以及其他條件保持不變時，晶體振蕩器的頻率相對于其規(guī)定標(biāo)稱值的最大允許偏差，即（fmax-fmin）/f0。精度一般常見的有0.5ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±50ppm等等。精度的選擇一般要參考頻率需求器件對精度的要求，比如高精度的時鐘芯片一般在±5ppm以內(nèi)，普通的應(yīng)用都選擇在±20ppm左右。

• 溫度穩(wěn)定度：
  溫度穩(wěn)定度是指其他條件保持不變時，在規(guī)定溫度范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對于溫度范圍內(nèi)輸出頻率極值之和的允許頻偏值，即（fmax-fmin）/（fmax+fmin）。之所以把工作溫度單獨(dú)拿出來，主要是由于晶振是個物理的器件，工作溫度與價格是成正比，工作溫度要求越高，價格越高，所以選擇晶振時也需要重點(diǎn)考慮工作溫度。

六、應(yīng)用電路

6.1 并聯(lián)型晶體振蕩器

單片機(jī)和其他一些IC的振蕩電路的真名叫“三點(diǎn)式電容振蕩電路”，這樣的組成可以使晶振處于并聯(lián)諧振模式。反相器提供了180°的相移，晶振、R1、C1、C2組成的π型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生另外180°的相移。所以整個環(huán)路的相移為360°。這滿足了保持振蕩的一個條件。另外一個條件是要求閉環(huán)增益應(yīng)≥1，才能正確起振和保持振蕩。

6.2 串聯(lián)型晶體振蕩器

接通電源后，三極管VT1、VT2導(dǎo)通，VT2發(fā)射極輸出變化的Ie電流中包含各種頻率的信號，石英晶體X1對其中的f0信號阻抗很小，f0信號經(jīng)X1、RP1反饋到VT1的發(fā)射極，該信號經(jīng)VT1放大后從集電極輸出，又加到VT2放大后從發(fā)射極輸出，然后又通過X1反饋到VT1放大，如此反復(fù)進(jìn)行，VT2輸出的f0信號幅度越來越大，VT1、VT2組成的放大電路放大倍數(shù)越來越小，當(dāng)放大倍數(shù)等于反饋衰減系數(shù)時，輸出f0信號幅度不再變化，電路輸出穩(wěn)定的f0信號。

七、檢測

電容測量法：晶體在結(jié)構(gòu)上類似一只小電容，所以可用電容表測量晶體的容量，通過所測和的容量值來判斷它是否正常。

以下是常用晶體的容量參考值。

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? 由 Leung 寫于 2021 年 11 月 8 日

? 參考：有源與無源晶振的區(qū)別
　　　　晶振詳解之工作原理