标签: 晶振匹配

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：

谐振器(无源晶振)：无方向性，没有正负极； 振荡器( 有源晶振)： 有方向性，有正负极之分。 1. 无源晶振 无源晶振(KX系列晶振)是被动元件，需要匹配外部谐振电路才可以输出振动信号，自身无法振荡。 无源晶振不需要直接连接供电电源，可以适应多种电压，所以一般只有输入端，输出端。 2. 有源晶振 KOAN有源晶振比无源晶振输出信号质量好，稳定度高，不受外部电路影响，内部有独立的起振芯片。 有源晶振需要额定的供电电源，通常是四个引脚，一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压，无需外部连接匹配电容即可工作。差分/高频有源晶振有6和8引脚的选择。 因有源晶振具有方向性，引脚接反会导致停振。在选择不同封装尺寸的有源晶振时，KOAN凯擎小妹建议您仔细对比产品规格书以及管脚图。

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。晶振的作用是什么？如何选择一颗合适外部晶振呢？ 1. 晶振在芯片中的作用 每一个微处理器都需要时钟源来控制处理器执行指令的速度，信号的波特率，转化模拟数字信号等。晶振可以产生CPU执行命令时需要的时钟频率信号。时钟信号的频率越高，CPU的运行速度也就越快。 2. 芯片的内部晶振 LC振荡电路: 市面上大部分芯片内部含有LC振荡电路来提供时钟源。顾名思义，L表示电感，C表示电容。石英晶体的等效电路图就是LC振荡电路. PLL锁相环电路: 晶振一旦封装到芯片内部，频率也就固定了。芯片内部有PLL电路进行频率的倍频和分频。 内部晶振的优缺点 优点：内部振荡器是和芯片完美搭建在一起的，在精度，占空比，以及温度依赖性都是合适芯片本身的。外部晶振不是必须要添加的。 缺点：内部振荡器的缺点是精度和频率稳定性。基准频率取决于振荡电路的无源元件。电容和电阻很容易受环境温度的影响。LC振荡器会有温度漂移的现象。 3. 外部晶振: 对于芯片内部有PLL电路的设计，可以借助于外部振荡器的稳定性和精度，来弥补内部振荡器的不足。 谐振器: 石英晶体谐振器又称无源晶振。一般消费级产品或者对精度要求不高的产品，推荐使用价格更低的无源晶振。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。 振荡器: 石英晶体振荡器又称有源晶振。高端或工业级以上的产品推荐使用更稳定的时钟振荡器。KOAN有源晶振内部有独立起振芯片，在获得高稳定性和精度的同时，也不必担心匹配电容的问题。 硅晶振: MEMS振荡器更适合高振动环境，非关键定时应用以及信号噪声比不重要的应用。像高速通信，复杂调制方案，出色的信噪比之类的应用，KOAN晶体振荡器将优于MEMS振荡器。石英材质拥有低抖动，极高的Q值，以及出色的时间和温度稳定性。 陶瓷晶振: 陶瓷谐振器，一般习惯叫陶瓷晶振，但是它是以锆钛酸铅为主要原料，将其加工成有压电效应的陶瓷材料。陶瓷谐振器的精度一般为±300ppm ~ 500ppm，应用在普通产品上，例如USB, 玩具，硬盘，驱动等对精度要求不高的产品。

参数 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。 KOAN 晶振产品页面列出必选的参数，下图为 KX70 谐振器页面截图： 振荡电路匹配 振荡电路是能够产生大小和方向随着周期发生变化的振荡电流。这种振荡电流电路称为振荡电路。 激励电平：调整电路中的串联电阻 Rd 的大小来调节振荡电路对晶振输出的激励电平。 负性阻抗：负性阻抗过大，增加 Rd ，使回路整体阻抗变大；负性阻抗过小，减小 Rd ，使回路整体阻抗变小。电路的负性阻抗应控制在晶片 ESR 的 3~20 倍之间。 焊接 焊接温度过高或者时间过长，晶振内部电性能指标出现异常引起的不起振。 KOAN 晶振分为手工焊接和机器焊接 ( 波峰焊和回流焊 ) 。手工焊接烙铁头温度控制在 350℃/3s 或者 260℃/5s 。 其它 工作一阵后出现停振现象可以通过交叉试验来判断晶体是否损坏。如果是个别损坏，应考虑 IC 驱动功率是否设置好；如果是批量损坏，应考虑驱动功率是否有过大的问题。 如果在电路调试阶段已经发现晶体有少量不起振的现象，可能是晶体批次质量存在问题。若晶体质量出现问题，建议交给供方做质量分析。 凯擎小妹建议 1. 预算高选择有源晶振 / 振荡器，预算低选择无源晶振 / 谐振器 ; 2. 应用性能要求：如果应用在高精度高端产品上，建议选择有源晶振 / 振荡器；如果应用对频率稳定率要求不高，如玩具等一般消费类电子，建议选择性价比高的无源晶振 / 谐振器。 3. 有源晶振 / 振荡器可为时钟振荡器， TCXO 温补晶振， VCXO 压控振荡器， OCXO 恒温晶振，可以实现更宽的温度范围和更高的稳定度。