标签: 晶振电路

晶振是由压电晶体构成的。 压电效应 使晶体能够在一定频率下振荡，为电路提供稳定的频率信号。无源晶体需要精确 匹配外围电路 才可以输出信号。如果晶振与电路板之间发生短路，将会导致不起振的现象，使整个电路无法正常工作。 无源晶振KX49S和KX49M的绝缘垫片能够将晶体谐振器的导电表面与电路板或其他导电部件隔离开来，从而防止短路。这不仅保护了无源晶振本身，还保障了电路的整体稳定性。 使用垫片有以下几点好处： 防止短路 ：在直插谐振器中，导电表面可能会直接接触到电路板的接地通孔焊盘，导致短路。 提高机械稳定性 ：在震动较大或机械应力较高的环境中，垫片有助于稳定晶振的机械结构。 绝缘保护 ：当晶体谐振器与其他导电部件或电路板之间存在潜在的短路风险时，垫片可以提供额外的电气绝缘保护。 电路设计要求 ：垫片可以帮助调整无源晶振的安装高度或保持适当的电气间隙。 如果电路板布局合理、机械应力分布均匀可以不使用垫片。

有源晶振内部有独立的起振芯片IC，成本较高，但输出信号质量好，稳定度高，不受外部电路影响。与普通晶振相比，展频晶振(KM系列)在内部集成了起振电路和展频电路，因此可以减小外围电路的规模和复杂度，降低系统成本。 起振电路：展频晶振的核心是一个晶体振荡器，用于产生稳定的振荡信号； 展频电路：对晶振的输出信号进行处理，通过一定的技术来将信号的频谱展宽，增加信号的带宽。 展频晶振通常用于需要高抗干扰性能的电子设备，如无线通信设备、计算机主板等，以减少电磁干扰对系统性能和稳定性的影响。KOAN的展频晶振/扩频晶振有5032, 7050两种贴片的封装尺寸，型号为KM50, KM70. 在参数选择上，KM系列比普通的晶体多了两个参数：扩展方式（向下，中心），以及扩展百分比。左图为向下扩展，右图为中心扩展：

晶振电路中的电容和电阻是调整和维持晶振振荡稳定性的关键元件。KOAN凯擎小妹带大家了解一下晶振电路中电容电阻的一些基本原理和作用。 电容的作用 通过合适选择电容值，可以调整晶振的振荡频率，并确保在不同温度和电源条件下仍能保持稳定的性能。负载电容CL是连接在晶振的输出端的电容，它影响晶振的谐振频率。通过调整负载电容的大小，可以微调振荡频率，确保电路工作在设计频率上。杂散电容Cstray值一般为4~6pF。杂散电容可能对无源晶振的输出频率精度及稳定性造成不确定性影响。一般情况下，杂散电容会因电路板的复杂程度、布线设计的不合理性而增加。 调整频差FL是在25℃基准温度下，工作频率相对于标称频率所允许的偏差。石英晶体谐振器的规格书中，我们常看到调整频差用±30ppm max来表示，而KOAN晶振的实际的产品误差值会更小。 调整频差和负载电容的关系： FL=Fr+Ts×(CL+Cstray) FL-有载谐振频率 Fr-晶体的谐振频率 Ts-晶体的牵引量 CL-负载电容 Cstray-杂散电容 在并联型振荡器电路中，晶体X1两端的引脚和单片机内部的反相器相连，再匹配电容C1和C2，以及电路Rf和Rd组成皮尔斯振荡器。C1,C2的作用是让晶振谐振并稳定输出，尽可能达到标称频率的频率信号，同时可以过滤一部分高频干扰杂波。 如果通过最大限度的调整振荡电路的晶体外部电容也难以实现振荡电路的频率稳定性，可以让晶振供应商调整 CL 大小。 电阻的作用 芯片Xin和Xout内部一般是施密特反相器，反相器不能驱动晶体振荡，需要并联一个电阻，即并联电阻Rf。电阻完成输出信号反向180度反馈到输入端进行负反馈，构成负反馈放大电路Amp。KHz晶振电路Rf为10MΩ左右；MHz晶振电路Rf为1MΩ左右。如果没有加Rf，晶振电路也可能会起振，但存在不起振或者停振的隐患。 串联电阻Rd连接在晶振的输入或输出端，用于限制输出电流，防止晶振被过分驱动。这有助于防止损耗并提高晶振的可靠性。晶振过分驱动会使频率上升，导致晶振早期失效。Rd用来调整激励电平。Rd具体大小需要根据驱动程度进行调整。 稳定振荡电路的具体措施 电路匹配电容要合适(满足振荡的相位条件)：电路匹配电容加上电路杂散电容，愈接近晶体负载容量，目标频率愈精准。 措施1：调整外部负载电容。增加外部负载电容以减小实际的振荡频率，反之增加。如果增加外部负载电容，振荡裕量和振荡幅度会减小。 措施 2：更换合适的负载容量晶体。 总的来说，首先要追求系统的稳定性，然后选择适度的负载电容值；在确定中心负载电容值时，需要考虑频率变化的需求。确保匹配合适，以获得良好的相位噪声。近端相位噪声取决于晶体的 Q 值，而远端相位噪声则受匹配电容和振荡 IC 影响。较高的匹配电容有助于提高振荡电路的在线 Q 值，从而改善远端相位噪声，而较低的负载电容则有利于减少近端相位噪声。

为了满足谐振条件让晶振起振正常工作，无源晶振电路还需要两个电容。其电路设计可以参考皮尔斯振荡器电路。 晶体压电效应 石英晶体的化学式为二氧化硅。当石英晶体受到压力，表面会产生电荷。对晶片两端的电极施加电压时，晶体会产生机械变形。这被称为压电效应。 配图为陶瓷面谐振器:KX502 皮尔斯电路 皮尔斯电路是射极接地的并联振荡电路；皮尔斯振荡器Pierce Oscillator是晶体X1两端的引脚和单片机内部的放大器(Amp)，再匹配电容C1和C2，以及电路Rf和Rd组成的。皮尔斯振荡器电路工作有效且稳定。 负载电容 每个晶体的负载电容值是已知的。如果MCU写明需要特定负载电容的谐振器，用户仍需要精准匹配外部电容使其正常工作，否则可能会导致不起振。32.768kHz晶体常用的负载电容有6，7，9，12.5pF。MHz晶体常见的有8，9，12，15，18，20pF。根据负载电容选择匹配电容C1和C2： 匹配电容 杂散电容Cstray的值一般为4~6pF，大小值取决于电路的走线布局，处理器的引脚电容等。通常匹配电容相等：

有源晶振和无源晶振统称为晶振，属于同一种电子元件，但有源晶振和无源晶振的各方面的区别比较大，首先外形上就不太一样，有源晶振有凹槽，无源晶体一般没有，前者不需要外部接电源就可以振荡，后者则不可以。除此之外，检测有源晶振是好还是坏，也有自己的一套测量方法，主要有测量电阻法、测量电容量法、用测试电路检测这三种。 测量电阻法 万用表R×10k档测量有源晶振的正、反向电阻值，正常时均应为∞（无穷大）。若测得石英晶体振荡器有一定的阻值或为0，则说明该有源晶振已漏电或击穿损坏。 测量电容量法 通过用电容表或具有电容测量功能的数字万用表测量有源晶振的电容量，可大致判断出该有源晶振是否已变值。若测得有源晶振的容量大于近似值或无容量，则可确定是该有源晶振已变值或开路损坏。 用 测试 电路检测 用晶体管及有关外转元件组成的测试电路也可以检测有源晶振是否完好。 若将有源晶振接入电路中（注意，有源贴片晶振的两条引线不能相距过近），电路能起振，LED指示灯闪烁，则说明该有源晶振性能良好；若将有源晶振接入电路后，电路不起振，LED指示灯也不亮，则说明该有源晶振已损坏。