1.晶振的類型

通常在電路設(shè)計當(dāng)中，晶振都當(dāng)作數(shù)字電路中的心臟部分，數(shù)字電路的所有工作都離不開時鐘信號，而恰好晶振便是直接控制整個系統(tǒng)正常啟動的那個關(guān)鍵按鈕，一般來說有數(shù)字電路設(shè)計的地方就可以看到晶振。

晶振的類型也分多種：有源晶振，無源晶振，恒溫型，溫度補償型，電壓控制型，還有一種叫差分晶振。

2、無源晶振結(jié)構(gòu)

無源晶振是在石英晶片的兩端鍍上電極而成，其兩管腳是無極性的。無源晶振自身無法震蕩，從本質(zhì)上來說它是一個石英晶體元件，是一個被切割和加工成特定形狀和尺寸的石英晶體片。在工作時需要搭配外圍電路。在一定條件下，石英晶片會產(chǎn)生壓電效應(yīng)：晶片兩端的電場與機械形變會互相轉(zhuǎn)化。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時，晶體產(chǎn)生的振動和電場強度最大，這稱為壓電諧振，類似LC回路的諧振。無源晶振的頻率范圍在幾kHz到幾十MHz之間**，但特定的應(yīng)用可能會要求更高或更低的頻率。

石英晶體振蕩器由高質(zhì)量因素Q的石英晶體諧振器和振蕩電路組成。振蕩器的性能由晶體的質(zhì)量因數(shù)、切割方向、晶體振子的結(jié)構(gòu)和電路形式?jīng)Q定。國際電工委員會（IEC）石英晶體振蕩器分為四類:普通晶體振蕩器（SPXO），晶體振蕩電壓控制（VCXO），溫度補償晶體振蕩（TCXO），恒溫控制晶體振蕩（OCXO）。

目前，數(shù)字補償晶體振蕩也在發(fā)展（DCXO）混合型VOCXO振蕩等。雖然由于石英晶體Q值高，晶體振動輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高，但由于晶體振動內(nèi)部組件參數(shù)隨運行時間、電源、負(fù)載、溫度等參數(shù)的變化而不穩(wěn)定。任何晶體振動，頻率不穩(wěn)定是絕對的，但程度不同。晶體振動的輸出頻率隨時間變化。頻率不穩(wěn)定有三個因素：老化、漂移和短穩(wěn)定。短穩(wěn)定性能會影響接收機的接收靈敏度和選擇性、高速數(shù)字通信系統(tǒng)、測試靈敏度等，對高速信號的質(zhì)量起著決定性的作用。

3. 無源晶振的參數(shù)特性：

一般而言我們知道最多的就是晶振的負(fù)載電容，這個 負(fù)載電容其實是管腳的總體等效電容，因此在PCB設(shè)計時尤其要注意寄生電容的大小。但是還有一些其他重要的參數(shù)需要注意：

a. 標(biāo)稱頻率：即設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)振蕩頻率。

b. 溫度頻差：工作頻率相對基準(zhǔn)溫度25度時頻率的偏差。

c. 老化率：工作頻率隨時間的變化范圍。

d. 啟動時間：上電開始到晶振達(dá)到工作頻率的時間。

晶體模型及理論計算

C0并聯(lián)電容：兩個電極間形成的電容。Lm動態(tài)等效電感：代表機型振動的慣性。Cm動態(tài)等效電容：代表晶振的彈性。Rm動態(tài)等效電阻：代表電路的損耗。

晶振的阻抗表達(dá)式如下（假設(shè)Rm可以忽略不記）

下圖說明了晶振的阻抗與頻率的關(guān)系

晶體參數(shù)

（1）晶振負(fù)載電容定義

晶體元件的負(fù)載電容是指在電路中跨接晶體兩端的總的外界有效電容，是晶振要正常震蕩所需要的電容。如果從石英晶體插腳兩端向振蕩電路方向看進(jìn)去的全部有效電容為該振蕩電路加給石英晶體的負(fù)載電容。石英晶體的負(fù)載電容的定義如下式：

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 Cap），在晶體的規(guī)格書上可以找到具體值，一般0.2pF~8pF不等。某32.768KHz的電氣參數(shù)，其寄生電容典型值是0.8pF。

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。晶體布線時都會要求晶體盡量靠近振蕩電路，減小CPCB。

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

圖1中標(biāo)示出了CG，CD，CS的的組成部分。

（2）晶體負(fù)載電容和頻偏之間的關(guān)系

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。

4. 設(shè)計考慮事項

a、 使晶振、外部電容器與IC之間的信號線盡可能保持最短。當(dāng)非常低的電流通過IC晶振振蕩器時，如果線路太長，會使它對 EMC、ESD 與串?dāng)_產(chǎn)生非常敏感的影響。而且長線路還會給振蕩器增加寄生電容。