晶体（谐振器）震荡电路与参数

A：晶振与晶体区别

晶振是有源晶振的简称，又叫振荡器，英文名称是oscillator，内部有时钟电路，只需供电便可产生振荡信号；
晶体则是无源晶振的简称，也叫谐振器，英文名称是crystal，是无极性元件，需要借助时钟电路才能产生振荡信号。

B：关键参数

标称频率（Normal Frequency）：单位是HZ，这是晶体规格书中所指的频率，也是进行电路设计和元件选购时首先关注的参数；
频率误差（Frequency Tolerance at 25℃）：单位是ppm（partsper million），即百万分之一（1/ $10^{6}$ ），是相对于标称频率的变化值，越小表明精度越高；
例如：12MHz晶振在25 ℃时，偏差为±20ppm，表示它的频率偏差为 ±12M×20×1/ $10^{6}$ Hz=±240Hz，即频率范围是（11999760～12000240Hz）；
负载电容（Load Capacitance）（CL）：单位是pf，这是与晶体元件一起决定负载谐振频率的电容。在设计晶体电路，选择晶体震荡电路所需的电容值时的依据；
寄生电容（Shunt Capacitance）：又叫静态电容（CO），单位是pf，它的值决定于电极面积、晶片厚度和晶片加工工艺；
动态电容（C1）：单位是pf，等效电路中动态臂里的电容，它的大小主要和电极面积、晶片平行度、微调量的大小有关；
动态电感（L1）：等效电路中动态臂里的电感，动态电感与动态电容是一对相关量；
品质因数（Q）：品质因数又称机械Q值，是反映谐振器性能好坏的重要参数，它与L1和C1有如下关系：
$Q = \frac{WL1}{R1 }=\frac{1}{WR1C1 }$
如上式，R1越大，Q值越小，功率耗散越大，而且还会导致频率不稳定；反之Q值越高，频率越稳定。

C：参数计算

理论知识： 如下图所示，C1为动态等效串联电容，L1为动态等效串联电感，R1为动态等效串联电阻，C0为静态电容；

电路的谐振频率（Fr）也称为电路的固有频率。由于谐振时电路的感抗与容抗相等，即   $WL= \frac{1}{WC}$ , 所以谐振角频率 $W_{0}= \frac{1}{\sqrt{LC}}$ , 由于 $W_{0}=\frac{1}{\sqrt{LC}}$ , 所以谐振频率   $f_{0}=\frac{1}{2\Pi \sqrt{LC}}=F_{r}$ 。故谐振频率Fr只由电路本身固有的参数L和C所决定，品质因数表达式为   $Q\approx \frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}$ 。
此电路的频率特性曲线如下图所示：

由频率特性曲线可以看出：

当R1、L1、C1串联支路发生谐振的频率为串联谐振频率（Fr）时，此时容抗与感抗相互抵消，该支路呈纯阻性，等效电阻为R1，谐振频率为 $f_{r}=\frac{1}{2\Pi \sqrt{LC}}$ ；这个频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数。
a）当   $f< f_{r}$ 时，C0和C1电抗较大，起主导作用，晶体呈容性；
b）当   $f> f_{r}$ 时，L1、C1、R1支路呈感性，将与C0产生并联谐振，晶体又呈纯阻性，谐振频率
   $f_{l}=\frac{1}{2\Pi \sqrt{\frac{LCC_{0}}{C+C_{0}}}}=f_{r}\sqrt{1+\frac{C}{C_{0}}}$
由于 $C\ll C_{0}$ ，所以   $f_{l}\approx f_{_{r}}$ ；
c）当 $f> f_{l}$ 时，电抗主要决定于C0，晶体又呈容性。
实际：通常厂家的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL，实际的晶体元件应用于振荡电路中时，它一般还会与负载电容相联接，共同作用使晶体工作于Fr和FL之间的某个频率，这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定，通过改变电路的电抗条件，就可以在有限的范围内调节晶体频率。
当负载电容与晶体串联时，此时新的负载谐振频率如下式所示：
$f_{_{r}}^{'}=f_{r}*\left [ 1+\frac{C_{1}}{2\left ( C_{0}+C_{l} \right )} \right ]$ ，其中C1远远小于C0+CL；
当负载电容与晶体并联时，相应的负载谐振频率如下式所示：
$f_{_{l}}^{'}=\frac{1}{2\Pi\sqrt{\frac{L_{1}C_{1}\left ( C_{0}+C_{l} \right )}{C_{1}+C_{0}+C_{l}}} }$ ；
从实际效果上看，对于给定的负载电容值， $f_{_{r}}^{'}$ 与 $f_{_{l}}^{'}$ 两个频率是相同的，这个频率是晶体的绝大多数应用时所表现的实际频率，也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数，也就是本文最开头介绍的晶振标称频率。
选型计算实例：
例如一12Mhz典型晶体震荡电路如下图所示： C1和C2是如何计算出来的？

（R1有的芯片集成到内部了）
选择的晶振为：
负载电容的计算公式如下所示：
${\color{Red} }C_{L}=C_{s}+\frac{C_{D}*C_{G}}{C_{D}+C_{G}}{\color{Magenta} }$
其中， $C_{s}$ 为晶体两个管脚间的寄生电容（Shunt Capacitance）
$C_{D}$ 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 $C_{PCB}$ 、芯片管脚寄生电容 $C_{O}$ 、外加匹配电容 $C_{L2}$ ，
即   $C_{D}$ = $C_{PCB}$ + $C_{O}$ + $C_{L2}$ ；

$C_{G}$ 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 $C_{PCB}$ 、芯片管脚寄生电容 $C_{I}$ 、外加匹配电容 $C_{L1}$ ，
即   $C_{G}$ = $C_{PCB}$ + $C_{I}$ + $C_{L1}$ ；

一般 $C_{s}$ 为 1pF 左右， $C_{O}$ 与 $C_{I}$ 一般为几个皮法，具体可参考芯片或晶振的数据手册；
（手册上该晶体 $C_{s}$ = 7pF（max），一般而言 $C_{I}$ = $C_{O}$ = 5pF， $C_{PCB}$ = 4pF）；

按照规格书上的负载电容值 20pF、 $C_{s}$ = 4pF 计算所需的 $C_{1}$ 、 $C_{2}$ ，则有
   $20pF=4pF+\frac{C_{D}}{2}=4pF+\frac{C_{G}}{2}$
则   $C_{D}$ = $C_{G}$ = 32pF， $C_{L1}$ = $C_{L2}$ = $C_{D}$ - $C_{PCB}$ - $C_{I}$ = 32-4-5= 23pF；
故可以得出上面的晶体震荡电路匹配电容 $C_{1}$ = $C_{2}$ =22pF。
其他振荡电路可以根据公式计算得出。

晶体（谐振器）震荡电路与参数相关推荐

硬件电路开发中晶体谐振器常用知识
晶体谐振器简介晶体谐振器就是指用石英晶体材料做成的石英晶体谐振器,也称晶振.是利用石英晶体的压电效应的一种被动元器件.给石英晶体谐振器加上电压的话,晶体(压电体)会发生变形,从而振动产生接近其固有 ...
晶体封装越小esr越大_晶体谐振器等效电路，负载谐振电阻，负载电容，品质因数...
晶振与晶体的区别 1) 晶振是有源晶振的简称,又叫振荡器.英文名称是oscillator.晶体则是无源晶振的简称,也叫谐振器.英文名称是crystal. 2) 无源晶振(晶体)一般是直插两个脚的无极性 ...
晶体（晶体谐振器）和晶振（晶体振荡器）的区别
晶体与晶振 2.无源晶振就是一个晶体,必须要结合外围电路构成一个振荡器才能输出特定频率的信号,而这个振荡器是需要提供电源的.像MCU可以用无源晶振是因为其内部集成有构成振荡器的电路,晶体不好集成就只好 ...
晶体谐振器和晶体振荡器有什么区别?
晶振以其体积小.稳定性高等优势广泛应用于各种电子领域,晶体谐振器和振荡器是市面上比较常见的两种类别,先了解晶体谐振器和晶体振荡器有什么区别可以帮助我们更好的选购产品. 晶体振荡器拥有自己的驱动电路,一 ...
SiTime 硅晶振代替晶体谐振器的8大理由
每个电子系统都需要一个计时装置. 晶体 (XTAL) 谐振器通常是首选解决方案. 然而,与 XTAL 相比,将谐振器与振荡器 IC 配对成一个完整的集成计时器件的振荡器具有多项优势. MEMS 计时技 ...
晶体谐振器晶体振荡器正确区分
转载,防失联. 第一步:了解一下晶振. 石英晶振就是用石英材料做成的石英晶体谐振器,起产生频率的作用,具有稳定,抗干扰性能良好. 广泛应用于各种电子产品中. 石英晶振是晶振中的一种,晶振正确的分 ...
晶体谐振器和晶体振荡器
前几天去电子市场买晶振之前自己的了解是这玩意应该很好买直接说频率选个大小尺寸就够了没想到,去的时候一看柜台写的是晶体谐振器和晶体振荡器查了一些资料.自己总结一下有源晶振就是晶体振荡器, ...
晶体振荡器与晶体谐振器的区别
晶体振荡器与晶体谐振器的区别 2012-02-17 10:43 112311440yan 等2人 | 分类:工程技术科学 | 浏览506次网友采纳 2007-04-05 12:42 yue ...
晶体谐振器和晶体振荡器的优缺点分析
谐振器(英文Resonators)是指产生谐振频率的电子元件,它是典型的无源器件,需要外围电路驱动其工作,产生时钟输出.晶体谐振器常用的分为石英晶体谐振器和陶瓷谐振器.产生频率的作用,具有稳定,抗干扰 ...
二阶振荡环节的谐振频率_【干货分享】晶体谐振器振荡频差的原因及对策
如果实际振荡频率偏离标称频率,那么应考虑以下原因: 晶体谐振器的实际驱动功率超过了规定的超大值. 实际负载电容不同于规格中的规定值. 振荡不正常. 1 晶体谐振器的实际驱动功率超过了规定的超大值重要 ...

晶体（谐振器）震荡电路与参数

A：晶振与晶体区别

B：关键参数

C：参数计算

晶体（谐振器）震荡电路与参数相关推荐

最新文章

热门文章