标签: 晶振参数

在微控制器、系统级芯片以及通信芯片中，晶振是保证系统稳定运行的核心时钟源。在设计和调试过程中，难免会遇到如下问题：电路不起振、起振时间过长、输出波形畸变、频率偏差过大等。这些现象大多与 晶振阻抗 密切相关。今天KOAN凯擎小妹带大家了解一下晶振阻抗的三个步骤： 查看阻抗曲线 → 调负载电容 → 计算负性阻抗 第一步：看阻抗曲线 晶振的等效电路通常包含四个参数： L1：等效电感（机械惯性） C1：等效电容（弹性恢复力） R1：等效电阻（能量损耗） C0：寄生电容（电极间静电效应） 通过观察晶振的阻抗曲线，可以了解晶振在不同频点下的表现： 串联谐振点fs ：等效电感L1与等效电容C1相互抵消，阻抗降至最低，仅剩等效电阻R1。在图中对应Rs点（即 ESR）。此时晶体最容易振荡。 并联谐振点fp ：晶体与寄生电容C0共同作用，使阻抗升至最高，在图中对应Zp点，接近开路。这个点决定了电路最终的工作频率。 其他频率区间 ：阻抗随频率变化而不稳定，要么偏高，要么偏低，晶体表现为电容性或电感性。电路的实际工作点通常落在fs与fp之间的区间。 详情：《晶振电路原理--机械振动等效电路》 第二步：调负载电容 在确定阻抗曲线之后，需要利用外部电容C1和C2对电路的工作点进行微调。它们与晶体的寄生电容C0共同形成等效负载电容CL，决定晶振在fs与fp之间的确切位置，从而使实际工作频率校准到标称值。 在并联振荡器（如皮尔斯振荡器）中，这两个外部电容是必不可少的，直接影响电路能否在目标频率上稳定振荡。 电容过大 → 振荡频率降低 电容过小 → 振荡频率升高 偏差过大 → 可能导致不起振或波形畸变 详情：《晶振负载电容与精度的关系》 第三步：计算负性阻抗 即使电容匹配正确，如果驱动不足，振荡仍可能无法启动。这涉及负性阻抗(-R)。振荡电路中，放大器必须提供足够的负性阻抗抵消晶体等效电阻ESR。 建议振荡宽限为晶振等效串联电阻RR的5倍之上： |-R| ≥ 5RR |-R| 太小 → 起振慢或不起振 |-R| 太大 → 晶体过热、老化加速 更多：《无源晶振：驱动功率、负性阻抗》 KOAN凯擎小妹建议 ESR参数匹配：不同晶体的等效串联阻抗ESR差异大，要与芯片手册匹配。 驱动能力适中：部分MCU振荡器可调驱动电流，避免过驱。 PCB布局优化：晶体与芯片走线尽量短、靠近接地，减少寄生电容。 测试谨慎：示波器探头会增加电容，导致频率偏差。

无论是智能手机、微控制器、电脑，还是工业自动化控制系统，需要时钟信号的电子设备中都能看到晶振的身影。在电路图上，晶振旁边常常配有两个电容。这两个电容到底起着怎样的作用呢？ 晶振是利用石英晶体的 压电效应 来产生稳定频率的振荡信号。石英晶体在外部激励下可以产生谐振，构成一个选频网络。最常见的连接方式是并联型的“Pierce振荡器”，它由一个反相器、晶体和两个电容组成。 电容的作用是什么？ 1. 构成振荡器反馈网络： C1和C2与晶体共同形成一个典型的负阻振荡器。这两个电容通过地构成分压网络，使得输出端的信号反馈回输入端，并提供合适的相位移和增益条件，从而维持振荡。 2. 调节负载电容： 晶体厂商通常会在晶体数据手册中标出推荐的负载电容，如18pF或20pF。错误的电容匹配会导致振荡频率偏移，甚至不启动。实际电路中的等效负载电容CL由C1 和C2决定。其中C_stray是PCB板布线、封装引脚和内部电容的综合值，通常在2-5pF范围内。 3. 提高频率稳定性和抗干扰能力：合适的电容可以帮助系统抑制寄生振荡模式，提高 频率稳定性 ，并降低电磁干扰敏感度。 如何选择合适的电容值？ 选择晶振电容通常需要结合晶体规格和PCB布局综合考虑。一个通用的计算思路如下：查阅晶体手册，找到其推荐的 CL 值（如 CL = 18pF）。假设板上杂散电容约为 4pF。反推 C1 和 C2。这时，可以选择标准值27pF或30pF的贴片电容，实际允许有一定偏差，关键是电容匹配对称，避免相位误差。

高频晶振适合需要快速处理和高精度的场合，而低频晶振则通常用于低功耗和抗干扰能力较强的设备。今天凯擎小妹带您了解一下高频和低频晶振的优势，以及选择频率需要考虑的因素。如果您对晶振参数的选型存在疑问，欢迎垂询。 高频晶振的优势 1. 处理速度快： 高频晶振产生快速的时钟信号，提升设备的处理能力。因此适合需要快速计算和瞬时响应的应用。高速通信协议如以太网、Wi-Fi等，要求高频时钟以支持快速的数据传输。图像处理和视频编解码需要高性能处理器驱动以实现实时处理。 2. 高精度：高频晶振提供更高的时钟精度，减少时钟抖动和误差。精确的时间同步需求如GPS定位。音频和视频同步需要高精度的时钟源确保录制和播放的同步。 3. 设计灵活： 高频晶振可以通过分频器实现多种频率需求，提供设计上的灵活性。这使开发者能在单一设计中支持多个频率要求的组件。 低频晶振的优势 1. 功耗低：低频晶振能耗较低，适合电池驱动的设备，特别是需要长期待机模式的应用。便携式电子设备如手表和手持式健康监测仪。传感器网络和物联网设备通常需要低功耗设计以延长电池寿命。 2. 抗干扰能力强：低频信号通常不易受到电磁干扰，提升设备的稳定性和可靠性。在工厂环境中的工业设备，可以更好地防止复杂环境中的电磁噪声。远程监控和安全系统，使用低频晶振改善可靠性。 3.设计简单：低频无源晶振通常涉及较简单的电路布局和PCB设计，降低了阻抗匹配和电磁兼容性难度。 选择晶振频率的原则 1. 应用场合： 在多媒体处理、实时数据分析、以及通信设备的应用中，高频时钟信号可以提高处理器的性能和响应速度。低频晶振可以满足简单的时间管理应用。 2. 评估功耗与热管理： 选择低频晶振可以减少能耗，延长设备的电池寿命，适用于便携式设备和长期待机系统。高频晶振可能增加热输出，需在设计中考虑有效的散热措施。 3. 电磁兼容性：低频晶振在高电磁干扰的环境下具有较强的抗干扰能力，适合工业设备和复杂电磁环境中的应用。而在需要高速数据传输的场合，使用高频晶振时需通过精心设计PCB和采取屏蔽措施以减少EMI影响。 4. 电路设计复杂度与扩展性：高频设计要求有更复杂的PCB布局，精准的阻抗匹配与多层板考虑是关键。低频设计较为简单，适合预算有限的小型设备。通过分频器和锁相环，可以支持多频率的需求设计。 5. 成本与市场供货： 高频设计可能增加设计复杂性及制造成本，而低频设计则在成本控制上更有优势。另外， 32.768kHz 、 8MHz 和16MHz等晶振频率为常见频率，能够降低采购风险及成本。

晶振提供精确的时钟信号以驱动电路的正常运行。有时即便晶振有电压供应，仍可能出现不起振的现象。今天，凯擎小妹将为大家盘点一下导致这种情况的常见原因。 电路设计： 晶振需要特定的 负载电容 才能正常起振。负载电容是指连接在晶振两端的有效电容。过大或过小的负载电容都会导致晶振无法正常工作。 反馈电路 在晶振电路中起着至关重要的作用。它将输出信号的一部分反馈到输入端，以维持振荡。合适的反馈电阻和电容可以确保晶振的稳定振荡。 晶振问题： 晶振在运输或安装过程中可能受到 物理冲击 ，导致内部结构损坏，从而无法起振。晶振随着时间的推移可能会 老化 ，或者由于 制造缺陷 而失效。这些问题都会影响其正常工作。 电源问题： 晶振需要 稳定的 电源电压 才能正常工作。如果电压不足或不稳定，可能导致晶振不起振。 电源噪声 会干扰晶振的正常工作。使用滤波器可以有效降低电源噪声，确保晶振的稳定性。 电路板设计： 不合理的PCB布局 可能导致信号干扰，从而影响晶振的正常工作。 不良的焊接 可能导致晶振与电路板的连接不良，应确保焊接点牢固。 环境因素： 极端的温度和高湿度 环境 可能影响晶振的性能。确保设备在适宜的环境条件下工作，可以延长晶振的使用寿命。 如何进行排查 检查负载电容和反馈电路是否与晶振规格匹配 测量晶振两端的电压，确认供电正常 使用示波器观察晶振的 输出波形 ，判断是否起振 更换新的晶振进行测试，排除晶振本身的问题 检查焊接质量和PCB布局，排除电路板问题

晶振波形的质量直接影响系统的性能和稳定性。在实际应用中，晶振的输出波形可能出现失真，导致信号不完整。今天凯擎小妹详细解释一下波形失真的原因。 1. 无源晶振负载电容不匹配： 谐振器需要匹配外部谐振电路才可以输出信号，自身无法振荡。如果电容值过大或过小，可能会导致振荡波形畸变或振荡不稳定。 2. 电路设计缺陷： 在振荡线路的设计中，必须提供适当的功率使石英晶体谐振器开始振荡并维持振荡。为了保证稳定性和长期可靠性，在振荡线路设计中应该避免过高的驱动功率。PCB布局不合理可能会引入寄生电容和寄生电感，影响晶振的正常工作。例如，晶振的走线过长或靠近高频干扰源，会引起波形畸变。 3. 电源不稳定： 晶振振荡电路通常对电源稳定性要求较高。如果供电电压波动过大或存在过多的噪声，会影响振荡器的工作状态，导致波形失真。 4. 元件质量问题： 低品质或老化的晶振可能会出现频率漂移、信号幅度减小等问题，最终导致波形失真。晶振工作时依赖于外部电阻、电容等元件。如果这些元件参数偏差过大，可能导致振荡波形畸变。 5. 环境因素： 普通石英晶振的频率会随温度变化而漂移，影响时钟信号的精准度。使用温补晶振TCXO或恒温晶振OCXO可以有效减小温度对波形的影响。高湿度可能影响晶振的封装和内部结构，进而影响波形质量。外部机械振动可能导致晶振的物理结构受到冲击，导致短时间内的波形抖动或失真。可采取适当的防护措施，如密封封装和避震设计。 6. 电磁干扰： 高速频率源是电子电路中电磁干扰的主要来源。为降低高速数字系统带来的电磁干扰，可使用消除电磁波干扰晶振，也称扩频晶振、KM系列。