晶振的选择方法与重要参数

射频美学 2023-04-12 3255

描述

晶振，全名叫“晶体振荡器”，它在电路当中起到产生振荡频率的作用，我们都知道，单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路，那么这个所需要的时钟就是晶振来产生，可以说它的单片机的心脏，让单片机时刻有脉动，它控制着计算机的工作节奏，晶振的频率有32.768kHz、1MHz、2MHz、4MHz、8MHz、12MHz……当然，还有很多其他频率。

晶振有无源晶振以及有源晶振，我们平时看到在电路板上面由电容、电阻等元器件来助起振的晶振其实就是无源晶振，它需要外部元器件辅助;二有源晶振它在单片机内部里面，它不用外部元器件辅助起振。时钟信号可以三种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，不过一般是RC振荡电路，产生时钟信端;另两种为外部方式，即外接一个晶振，时钟信号由外部引入和引入外部振荡器作为输入。

可以说现在的晶振很多，我说的是单片机外接的晶振，有石英晶振，有温度补偿的晶振等等，那么我们在选择晶振时候需要注意哪些细节呢?

晶振主要的参数无非主要是这几个：类别、规格尺寸、输出波形工作电压、温度......

1) 类别

晶振大致分为两类：

1. 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。

晶体谐振器Crystal Resonator需要匹配外部谐振电路才可以输出信号，自身无法振荡。

2. 有源晶振：高端产品或工业级以上的产品推荐使用更稳定的时钟振荡器，更高要求的产品推荐使用TCXO/OCXO。

时钟振荡器Clock Oscillator比无源晶振输出信号好，稳定度高，不受外部电路影响，内部有独立起振芯片。

压控晶振VCXO可以调整控制端电压改变输出频率。

温补晶振TCXO含有温度补偿电路以减少环境温度对振荡频率的影响。TCXO比适时钟振荡器有更好性能。

恒温晶振OCXO将晶体放置于恒温槽，不受外界温度影响，频率稳定度在所有类型的晶振中是最好的，电路设计极其精密，短稳和相位噪声都非常好。

2) 规格尺寸

近年来，晶振的封装尺寸朝着小型化发展,例如便携式设备需要对封装有严格的要求。小尺寸贴片可达到1.6x1.2mm。

3) 输出波形

KOAN晶振家族中的输出波形普遍分为方波Square Wave和正弦波Sine Wave两类。其中方波有非差分和差分输出的选择;正弦波有准正弦波和削峰正弦波的选择。方波的输出功率大，驱动能力强，但是谐波分量丰富。主要应用在数字通信系统时钟上。正弦波的功率不如方波，但是谐波分量小。每种类型都有不同的特性和用途。

振荡电路

4) 工作电压

振荡器的频率稳定度会受到电源电压变动和负载变动的影响。在超过建议的电源电压下工作会造成稳定性和波形变差。下图为KS70(时钟振荡器7.0x5.0mm CMOS输出)的电压选择：

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5) 温度稳定性

振荡器的主要特性是温度稳定性，这是取决于振荡器价格的重要因素。稳定度越高，温度范围越宽，价格也就越高。在选择晶振时，我们应按照实际需求选择稳定度。下图为KS50(时钟振荡器5.0x3.2mm CMOS输出)：

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6) 相位噪声和抖动

晶振的短期频率稳定度由噪声引起导致的频率不稳定。从频域来看，对应的参数是相位噪声Phase Noise是衡量晶振性能的重要指标。从时域来看，对应的参数是抖动Jitter。时间和频域之间的关系互为倒数Time=1/Frequency。

7) 工作环境

在选择晶振的时候，不仅要考虑电路设计和应用需求，也需要结合实际工作的环境。比如终端产品应用在高振动，高冲击的环境;有外部磁场干扰的环境;高低温温湿度有差异的环境中。

晶振还有几个重要参数：

1，晶体元件规格书中所指定的频率，也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数。晶振常用标称频率在1～200MHz之间，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等，更高的输出频率也常用PLL(锁相环)将低频进行倍频至1GHz以上。我们称之为标称频率。

2，输出信号的频率不可避免会有一定的偏差，我们用频率误差(Frequency Tolerance)或频率稳定度(Frequency Stability)，用单位ppm来表示，即百万分之一(parts per million)(1/106)，是相对标称频率的变化量，此值越小表示精度越高。比如，12MHz晶振偏差为±20ppm，表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz，即频率范围是(11999760～12000240Hz)。

3，还有一个温度频差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离，它的单位也是ppm。

4，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!

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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。

振荡电路

结语

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。

审核编辑：汤梓红

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