晶振不可忽视的四个参数
eeskill 2022-11-29

晶振的四个重要参数

晶振,全称晶体振荡器,它能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须要的时钟频率信号,CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的,时钟信号频率越高,通常CPU的运行速度也就越快。 凡是包含CPU的电子产品,其中至少含有一个时钟源,哪怕我们在电路板中看不到实际的振荡电路,那也是晶振在芯片内部被集成,往往被人们称之为电路系统的心脏。一旦心脏停止跳动,整块电路板可能出现瘫痪的状况。因此晶振的质量问题是很多厂商放在第一位的最终抉择的考虑基础!所以很多客户对日系晶振有了十足的信任感,近年来台系的TXC晶振在国内厂商也有了较高的重视度

晶振质量的好坏由什么决定了?有人会说从外观的崭新程度分辨,或者是外包装,又或者产品印字标识。这一切真的能有助于我们分辨晶振的好坏吗?像晶振这样的电子元器件拿在手上我们是无法判断其好坏程度的,通常晶振人所指的坏即是在电路工作中晶振不起振,或者时而稳定时而不稳定的现象!那么这一切现象终究是归根于质量问题还是晶振参数?

晶振不可忽视的四个参数

1,频率单位,频率单位通常分为KHZ与MHZ,而对于有源晶振和无源晶振来讲,32.768既存在KHZ的单位,也存在MHZ的单位,因此频率的单位一定要标准清晰。

2,精度要求,贴片晶振最高精度通常为10PPM比较常见,比较特殊的精度要求得订货。其次15ppm,20ppm,25ppm,30ppm,50ppm的等级依次分布。插件晶振以圆柱晶振为例,5ppm是其圆柱晶振中精度最高的一个等级,其次10ppm,20ppm,30ppm.

3,负载电容,负载电容有时候是一个非常至关重要的参数,如果晶振的负载电容与晶振外部两端连接的电容参数匹配不正确的话,很容易造成频率偏差,精度误差等等,从而导致产品无法达到最终的精准要求。当然也存在对负载电容参数不是特别严格的厂家,那么我们说说关于音叉晶体一块,常见的负载电容有6PF,7PF,9PF,12.5PF;MHZ晶振常见的负载电容以20PF和12PF最为广泛,其次8PF,9PF,15PF,18PF等等比较常用。

另外,负载电容CL(Load capacitance),它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容(不是晶振外接的匹配电容),主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,与晶体一起决定振荡器电路的工作频率,通过调整负载电容,就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。更准确而言,无源晶体的负载电容是一项非常重要的参数,因为无源晶体属于被动元器件,所谓的被动元器件即是自身不能工作,需要外部元器件协助工作,无源晶体即是!

其中:

CS为晶体两个管脚之间的寄生电容(又名晶振静态电容或Shunt Capacitance),在晶体的规格书上可以找到具体值,一般0.2pF~8pF不等。如图二是某32.768KHz的电气参数,其寄生电容典型值是0.85pF(在表格中采用的是Co)。

CG指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容,其容值为以下三个部分的和。

● 需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容 Ci

● 晶体震荡电路PCB走线到到GND的寄生电容CPCB

● 电路上外增加的并联到GND的外匹配电容 CL1

CD指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容。容值为以下三个部分的和。

● 需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容, Co

● 晶体震荡电路PCB走线到到gnd的寄生电容,CPCB

● 电路上外增加的并联到GND的外匹配电容, CL2

既然晶振的负载电容是一个非常重要的参数,如果此项参数与外部电容匹配不正确会导致什么样的现象?晶振两端的等效电容与晶振标称的负载电容匹配不正确,晶振输出的谐振频率将与标称工作的工作频率会产生一定偏差(又称之为频偏),负载电容(load capacitance)主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,它与石英谐振器一起决定振荡器的工作频率,通过调整负载电容,一般可以将振荡器的工作频率调到标称值。应用时我们一般外接电容,便是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容,对于要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容,这样便可以使得晶振工作的频率达到标称频率。所以合理匹配合适的外加电容使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容显得十分重要。

负载电容常用的标准值有12.5 pF,16 pF,20 pF,30pF,负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的,负载电容变小时,频率偏差量变大;负载电容提高时,频率偏差减小。图3是一个晶体的负载电容和频率的误差的关系图。

例外情况:

现在有很多芯片内部已经增加了补偿电容(internal capacitance),所以在设计的时候,只需要选按照芯片datasheet推荐的负载电容值的选择晶体即可,不需要额外再加电容。但是因为实际设计的寄生电路的不确定性,最好还是预留CL1/CL2的位置。

4,温度参数,通常我们所指的是工作温度,因为不同产品需要用到不同的参数,比如汽车级需要用到汽车级的温度-40到105摄氏度,工业级需要用到-40到85摄氏度,消费类产品-20到75常规即可。这也是我们晶振人通常会询问客户是做什么产品的一个原因。只有在真正了解客户的产品用途之后,我们才可以判断客户所需晶振的温度参数。

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