标签: 晶振匹配

负载电容是晶体振荡器电路设计中的一个关键参数。对晶振的频率特性和稳定性有直接影响。负载电容不是单个元件的电容，而是由晶振两端外接的电容以及电路中的寄生电容一起形成的总电容。 合适的负载电容是确保晶体振荡器稳定工作的关键步骤。不合适的负载电容可能导致以下问题： 1. 频率偏移 ：如果负载电容过大或过小，晶体的振荡频率可能会偏离其标称值，导致系统时钟不准确。 2. 启动问题： 不合适的负载电容可能导致振荡器难以启动，特别是在电源电压较低或温度变化较大的情况下。 3. 稳定性差： 负载电容不匹配可能导致振荡器的频率稳定性变差，影响系统的可靠性。 4. 功耗增加： 不合适的负载电容可能导致电路的功耗增加，影响电池供电设备的续航时间。 5. 信号完整性问题： 频率不稳定可能导致信号完整性问题，影响数据传输和处理的准确性。 负载电容是指晶体振荡器在其标称频率下稳定工作所需的电容值。它由外部电容和电路板的寄生电容共同决定。 1. 晶体规格书 : 无源晶振的规格书上可以找到负载电容值。以KOAN谐振器KX32为例，负载电容为8~32pF之间。 2. 估算寄生电容 :电路板上的寄生电容是不可避免的，主要来自PCB走线和焊盘的电容。一般寄生电容值在2~5pF之间。估算寄生电容是选择合适外部电容的关键步骤。如果寄生电容较低(如1-2pF)，通常选择较小的负载电容(如12.5 pF)可能更合适。较低的寄生电容意味着需要通过外部电容来补偿更多的负载电容，以达到总的CL。 以下是估算寄生电容的方法： 1） 大多数PCB设计软件有提取寄生参数的功能，可以估算焊盘和走线的寄生电容。 2） 使用电容表测量实际电路板上的电容值。将晶体移除并测量晶体安装位置两端的电容。 3 ） 根据类似电路设计的经验值进行估算，通常可以作为初步的参考。 3.计算外部电容 ：根据晶体的负载电容和寄生电容，计算外部电容C1、C2: 假设你选择的晶体的负载电容为18pF，估算的寄生电容为3pF，则需要两个30pF的外部电容。 4. 测试： 使用频率计或示波器检查振荡频率是否在预期范围内。如果测试结果不理想，可以通过调整外部电容值进行优化。在设计阶段，可以使用可调电容器进行微调，以找到最佳的负载电容值。

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。