标签: 负载电容

无源晶振指所有谐振器系列，成本低，内部没有独立的起振电路，需要外部电路配合，并精准匹配外部电容才能输出电信号。当负载电容和晶振电路不匹配时，会导致频率偏移增加。凯擎小妹聊一下频偏和负载电容的计算方法。 频偏 : 晶振输出频率和标称频率的差值。这个值由多种因素引起：温度变化，电压变化，负载电容变化。通常以ppm表示。假设晶振的标称频率为12MHz，测试频率为11.99998MHz，频偏为0.00002MHz。 负载电容 : 负载电容是接在晶振两个引脚之间的有效电容。 Cs为晶体两个管脚间的寄生电容（杂散电容） Cd表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容，包括PCB走线电容、芯片管脚寄生电容、外加匹配电容CL2； Cg表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容，包括PCB走线电容、芯片管脚寄生电容、外加匹配电容CL1。 KOAN无源晶振常用的负载电容：kHz晶体：6，7，9，12.5pF; MHz晶体：8，9，12，15，18，20pF 负载电容影响晶振的频率稳定性和起振条件。通过调整外围匹配电容(C1, C2)，晶振的工作范围可以调到标称值。CL1和CL2的作用是让电路谐振并稳定输出，尽可能接近标称频率的频率信号，通过过滤一部分高频干扰杂波。

1. 晶体为什么需要外接电容？ ​晶体的负载电容是晶体的一个重要参数。负载电容就是晶振起振的电容，这个负载电容决定着晶体是否可以在产品中正常起作用，外面并联的电容与晶体内部电容值相等，就可以让晶振发出谐振频率了。如下图是一个25MHz晶振的规格参数，其中负载电容的标称值15pF。所以这就要求在电路设计时参数选型时按照15pF的需求去设计。 2. 如何选取正确的负载电容值？ 如下是晶体与负载电容以及芯片的连接图，可以看出来晶体是连接了两个负载电容，此处可能会产生两个误解： 一个是晶体标注的负载电容是15pF，则两个电容都需要为15pF。另外一个是两个电容之和要和规格书中的标注的值相同，这些都是不正确的。 从下图可以看出来两个电容是并联关系，晶体的负载电容值的确定除了要考虑两颗电容并联后的结果以外，还要考虑板上的寄生电容的影响，根据经验会按照3-5pF进行补偿计算，实际还是要以测试实际测量输出频率的偏差来进一步调整负载电容的大小，两个负载电容的大小不要求值完全一样。 如下表格是按照寄生电容3pF进行计算的，比如，负载电容要求是15pF时，推荐选择C1和C2分别为24pF，并联后的值时12pF，再加上板上的寄生电容3pF，这样对于晶体来说就是12pF+3pF=15pF，刚好满足晶体规格书中的要求。 以上只是基于理论的计算，具体实际参数的选取还需要考虑一些细节因素，下面进行负载电容调试的介绍。 3. 如何对晶体电路负载电容进行调试？ 理想往往和现实是有一定差距的，极少的情况是能够根据理论计算就能把电容的负载电容确定下来，特别是适合批量生产的参数。往往都是要经过反复的调试测试才能最终确定下来。 在实际调试测试过程中用示波器对晶体输出波形进行测量时，如果发现实际输出频率高于标称输出频率值，比如标称值是25MHz、频率精度是±10ppm的晶体，那么实际的输出频率在24999750Hz~25000250Hz范围内都是合格的。 如果实际测量出来的频率值低于误差范围最低值，那么此时通过稍微减小负载电容值可以使晶体输出波形频率升高。同样，如果实际测量出来的频率值高于误差范围最高值，那么加大负载电容可以使晶体输出频率降低。 可能很多人都会遇到这样的问题，特别是在多片板子调试一致性时。比如，在板子1上实际测量晶体输出的波形频率是0ppm的偏差，然后板子2上使用相同参数的负载电容，结果实际测量输出波形的频率有+12ppm的偏差。那么导致这样的偏差是什么原因呢？ 如之前所讲，晶体的频率误差是±10ppm，这个是指在理想的条件下的标称精度，晶体由于自身的结构误差会导致的输出频率误差，是代表晶体自身本体的输出精度，也是晶体厂商出厂时能够保证每一片晶体的精度。所以当在调试时，一般可能会很少有人单独对晶体的输出频率误差做测试，一般默认拿到的晶体是合格的，并且可能还默认当前调试用的晶体频偏就是0ppm，然后基于当前晶体进行负载电容的匹配调试，最终将确认的负载电容参数复制到其他板子上,在这个过程中就忽略了晶体本身误差的问题。 比如板子1上使用的晶体实际自身的频偏是-5ppm，然后经过负载电容的匹配调试，将实际量测的结果定在了0ppm，那么如果第二片板子上实际使用的晶体本体是+7ppm的偏差，那么板子1上的负载电容参数使用在板子2上后，很大概率实际测量输出频率会是+12ppm。 如何才能规避这种问题呢？ 这就要求研发工程师在调试晶体负载电容时，需要用晶体本体的频偏是0ppm的晶体（也被称为“标金”）进行调试，然后在使用晶体本体频偏为-10ppm，和+10ppm的晶体进行验证，确认不同偏差的晶体，实测结果的偏差是否一致？比如，相同的负载电容参数，在0ppm晶体上测量结果是+1ppm，那么使用-10ppm的晶体时，理想的结果是测量的实际频率误差为-9ppm；+10ppm的晶体时，理想的结果是测量的实际频率误差为+11ppm；而且调试样本数不能低于5片板子，以免焊接原因导致的误判。 除了以上调试时需要注意的事项，如下也是设计中需要注意的： 一定要按晶体厂商所提供的数值选择外部元器件。 负载电容越大，其振荡越稳定，但是会增加起振时间。 应使Cload2值大于Cload1值，这样可使上电时，加快晶振起振。 测量输出波形出现削峰、畸变时，可以通过串联一个几十k到几百k负载电阻解决。 如果要稳定波形，则可以通过并联一个1M到10M的反馈电阻。

电路板上的芯片附近总有晶振的身影，芯片的规格书中也写到了晶振的连接引脚图。不同于振荡器，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。 0 1 负载电容 每个晶体都有负载电容值。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。 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。 根据负载电容选择匹配电容C1和C2： 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： 02 CL大小的影响 如果负载电容CL很大，静态电容C0的改变对频率变化的影响很小，频率更加稳定。所以负载高，远端相位噪声好；若数过大，则很难调整到标称频率，晶振不容易起振。相反，如果负载电容CL很小，静电容C0的微小变化会造成频率的明显变化。近端相位噪声好，容易调整频率，晶振容易起振。 在选择晶体的负载电容时，我们要尽量权衡能量损耗和频率的稳定性。 03 无源晶振不起振原因 - 激励功率: 如果激励功率过大可能破坏晶体的内部机理，引起振荡频率异常、稳定度下降、频率失真等现象，更为严重的导致电极受损。在电路设计时，KOAN小妹建议您确认所使用的激励等级绝对不超过最大激励等级。 - 焊接: 如果焊接操作不当会对晶振造成损伤，严重时会造成停振；或造成软伤害，即使可以正常工作，在未来的使用中也会造成停振的现象。 - PCB布局: 如果PCB板很大需要进行切割，那么切割的边缘会因为变形而产生机械张力，会对晶振产生影响。晶振需要远离PCB板边缘的地方。凯擎小妹建议应优先将晶振放在中间的地方。 04 关于KOAN晶振 晶振各项参数的分析应使用专业晶振测试仪器。S&A250B网络分析仪可以测量各尺寸直插及贴片石英晶体谐振器，可以提供精确的，重复性好的晶体测量方式，测量超过40种不同的参数。S&A280B测量石英晶体振荡器，分析输出波形及各类电性能参数。 判断晶振性能优良还需要结合频率误差、温度稳定性、起振时间、相位噪声与抖动等参数。KOAN可以快速高水平满足客户的需求、精准化匹配、快速故障分析。

假如KX50-32.000-F-10和KX50-32.000-F-16 这两个晶振的参数都可以满足求。 我们要怎么选择呢？ 选择不同的负载电容会有什么样的区别呢？ 晶振起振时间的公式如下：其中 Lm是动态电感；Rm 是电阻参数；Rn 是负电阻。 --公式1 谐振器的负电阻公式如下：其中gm 是谐振器的跨导；f 晶体的共振频率；CL 是负载电容。 --公式2 由公式2可见：负载电容CL越小，Rn越大； 由公式1可见：Rn越大，t越小，起振时间变快； 结论：负载电容小，负电阻高，起振时间快。 KOAN晶体的等效电路图由静态电容C0，动态电容C1，谐振电阻R1，以及动态电感L1组成。 --公式3 谐振器的频率飘移是其负载电容的函数，公式如下： --公式4 由公式4可见，如果负载电容CL很大，静态电容C0的改变对频率变化的影响很小，频率更加稳定。所以负载高，远端相位噪声好；若数过大，则很难调整到标称频率，晶振不容易起振。相反，如果负载电容CL很小，静电容C0的微小变化会造成频率的明显变化。近端相位噪声好，容易调整频率，晶振容易起振。 在选择晶体的负载电容时，我们要尽量权衡能量损耗和频率的稳定性。

石英晶体的压电谐振现象可以用等效电路来模拟。等效电路包括静态电容C0，动态电容C1,谐振电阻R1,以及动态电感L1。 晶体Q值的公式如下： 其中f为频率，L1为等效电感，R1为等效电阻(表征能耗)。R1与Q值成反比。由此可见，每周期损失的能量越低，晶振的频率稳定度也就越高，对应的Q值也就越高。 KOAN晶振实测数据为例：KX32 Q值在50k左右. 当晶体放入振荡电路中，电路的损耗会降低Q值，这时的Q值被叫做“在线Q值”。高Q值的晶体，如果负载电容若选择不合适，在线Q值也会下降。 负载电容决定晶体频率的制造公差△f。在选购晶体时，首先要确认单片机或者其它器件的规格书内对晶振的负载电容是否有要求。如果对负载电容的要求比较泛泛，则需要做以下的权衡考虑： 负载电容大 负载电容小 在线Q值高 ↓ 老化率低 ↓ 频率微调范围小 ↓ 振荡器难达到标准频率 在线Q值低 ↓ 频率微调范围大 ↓ 容易调整频率 ↓ 频率准确度差