晶振工作原理与元件选型

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晶振工作原理与元件选型

; [0 v6 c) _" r    一、皮尔斯振荡器
5 M- D/ P) U; W    二、晶体等效电路
    三、实际搭建电路

一、皮尔斯振荡器
# a, Y" @9 _" y7 B0 t9 ^
如图为一个典型的皮尔斯振荡器， 这是一种电子振荡电路，适用于配合石英振荡晶体以产生振荡信号。
6 ^6 x& l$ `/ G0 \1 `4 o( `
# }# L( ?  X6 s0 c+ n反馈振荡电路的原理可简单用下图来解释。
其前向通道为放大器部分，

$ o/ s6 c6 O7 g# ~反馈通道则有
; M6 H1 g5 J8 C6 m$ `$ y5 j* g
当满足幅度条件和相位条件，即满足
7 Y  q# m! i  ^4 d- V
时，电路能够产生自激振荡。
1 D' m/ H9 |7 d  \7 U, G. L: X- \. T二、晶体等效电路

  O0 E% ]; z  n/ i; v一般晶体可转化为小信号等效电路， R 是串联电阻，L 和 C 是起动或串联电感、电容，C0 是分流电容，代表了晶体盒中共振器和寄生电容的低频并联电容量的总和。任何在 OSC1 和 OSC2 引脚之间的附加寄生电容都包括在这个值里。

" i- L  p! k3 z) l2 X- [! ~当等效电路中的R、L、C支路产生串联谐振时，呈纯阻性，等效电阻为R，串联谐振频率为
" i: w0 {  D3 z4 E# |; ^
此时整个石英晶体等效为R与C0并联，通常R<<ωC0，故可近似认为石英晶体是很小的纯电阻。
# a8 Y: S$ C/ G0 W# C' \
当f<fs时，R、L、C电路呈，容性，石英晶体也呈容性；当f>fs时，石R、L、C电路成感性，可与C0产生并联谐振，并联谐振频率为
0 f* R9 n6 M$ F* l6 p4 A
/ u( E' O! X% r2 t7 g  e: s5 }当f>fp时，石英晶体重返容性，如下图所示。
  ]: Q. e- ]7 Z# @4 B* F
由于C<<C0，所以fp≈fs。由于只有在fp>f>fs的很窄的频率范围内，石英晶体呈感性，C和C0相差越大，石英晶体呈感性的频带愈狭窄。而石英晶体工作在谐振频率下时呈感性，故感性频带越狭窄，谐振频率越精确，约等于石英晶体的并联谐振频率fp。
三、实际搭建电路

) o4 v' D. C2 b% d7 {9 t1 ~下图为PCB布线时实际搭建的皮尔斯振荡器。

RF为内部反馈电阻，RExt为限流电阻，CL1和CL2为两个外部负载电容，Cs是由于PCB布线及连接等寄生效应引起的等效杂散电容(OSC_IN和OSC_OUT管脚上)。

反馈电阻
5 i5 f% f% F* q' A反馈电阻RF作用通过引入反馈使反向器的功能等同于一个反向放大器，迫使反向器工作在线性区域，从引发晶振起振，如图。在某些情况下，如果在起振后去掉反馈电阻RF ，振荡器仍可以继续正常运转。

! h$ f' p7 [" k& }反馈电阻一些典型值如下表所示。

6 m& a# v+ Z" K3 \负载电容
, h) a6 g* S! n3 M: A负载电容CL的表达式如下：
" Y2 ~; r- \) K2 R( Q% B" a8 H
" k% F# R0 _5 k1 G0 KCL1和CL2为外部电容器，要求容值相同，Cs为印刷电路板上的杂散电容。CL值由晶振制造商给出，通过调整CL1和CL2使CL达到制造商的标定值。计算时，Cs可粗略估计为5pF。一个8MHz封装无源晶振的CL标定值为10pF，代入计算，可得CL1=CL2=10pF。
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限流电阻
限流电阻RExt起限制晶振电流大小的作用。如果晶振的功耗超过晶振制造商的给定值，外部电阻R Ext 是必需的，用以避免晶振被过分驱动。如果晶振的功耗小于晶振制造商的给定值，就不推荐使用RExt 了，它的值可以是0Ω。对R Ext 值的预估可以通过考虑由R Ext 和C L2 的电压分压RExt/CL2实现(注意到RExt 和CL2构成了一个分压/滤波器，考虑通带宽度应不小于振荡器频率)，则有R Ext 的值等于CL2 的电抗：

3 S2 i9 f8 h& q& A谐振频率
由于谐振回路中电容电流比总电流大得多，所以可以近似认为谐振时两个负载电容中的电流相同，即可视为CL1、CL2与C0并联，此时其总容量远大于C，所以电路的振荡频率约等于石英晶体的并联谐振频率fp。
3 z9 M% g/ r3 ^0 y, O9 T# j6 m

Ele_insect

如果不是整体故障的话，晶体不能按预期工作会导致项目延迟。

架海梁心

无源晶振的起振需要通过外加负载电容才能正常工作。

名字好听吗

晶振线路两旁电容C1,C2.晶振匹配电容选择：[（C1*C2）/（C1+C2）]+等效电容 = CL，C1,C2是晶振旁边的两颗外接电容，CL为晶振负载电容