晶体（Crystal）/晶振(Oscillator)

晶体（Crystal）

电路设计中常用的晶体是石英晶体。石英是一种天然的压电材料，具有极其稳定的振荡能力。
石英晶体是将一整块石英按照一定的切割方式形成石英晶体，再在石英晶片表面涂银，并安装上金属板构成的。根据切割方式的不同，晶体能以不同的频率起振（这个频率称为晶体的固有频率）。
除了频率外，晶体的很多特性，如温度稳定性，老化稳定性，等效电路参数，容性负载要求等，都与切割方式密切相关。

普通压电无源石英晶体是一种无极性元件，晶体内部本身只有经过加工的单一石英晶片，英文单词叫做（Quartz crystal）需要借助设计的电路才能产生振荡信号，单晶振本身是无非发生振荡的，插件的一般常规都是二个脚，当然也会有三个脚的，中间那个脚一般用来接地，当然随着科技的发展，后来有了四个脚的普通贴片谐振器，四个脚其实只要二个脚才是真正通电工作的，剩余两个脚一个是悬空，一个是可以用来接地(可接可不接)。

石英晶体之所以能起振，完全依赖于其自身特有的压电效应。
压电效应的原理：
在晶体的两极间加电场，能使晶体发生机械变形；在晶体的两极间施加机械应力，能在两极间产生电场。方向交替变化的电场，能产生交变的机械应力，而交变的机械应力反过来又产生了交变的电场。当外加电场的交变频率与晶体的固有频率相等时，构成谐振，使得机械振动幅度急剧增大，并以晶体固有的频率保持持续稳定的振荡。

晶体的等效电路

晶体的等效电路如下图：

C0为石英晶片与金属板之间的静态电容，L/C/R分别代表晶体的等效电感，等效电容和等效电阻。
对于石英晶体而言，L分量远远大于C和R分量，根据公式：Q= L / C R 2 \sqrt{L/CR^2} L/CR2 可知，晶体的品质因数Q远远大于普通的RC，LC振荡电路。
一般而言，
RC振荡电路的频率稳定度达到 1 0 − 3 10^{-3} 10−3(千分之一)；
LC振荡电路的频率稳定度达到 1 0 − 4 10^{-4} 10−4
晶体基于极高的Q值，频率稳定度可以达到 1 0 − 9 10^{-9} 10−9甚至更高，远优于RC和LC振荡电路。
在实际应用中，晶体的两个引脚与地之间需要各串联一个Trim电容Ce,这个电容对晶体谐振频率的稳定性有一定影响。

晶体选型关键参数

基准频率
这是晶体标称的振荡频率，前提要求是室温25℃，精度误差0ppm,电路设计完全满足容性负载的要求，即是一个理想的频率值。
频率精度
如±50ppm(-20℃~70℃)，表示在对应温度范围内，晶体最大频偏不会超过50ppm。
容性负载CL
CL是晶体外接振荡电路上所有分布电容的总和。晶体的振荡电路表现为一个负电阻-R以及容性负载CL的串联，晶体及其振荡电路的等效电路图如下：

晶体，-R，CL共同决定了晶体的振荡频率。为了维持振荡频率的稳定性，CL不能太小，一般要求为几十pF.

室温下的精度
如参数±10ppm@25℃±3℃，表示在室温环境下晶体的最大频偏为百万分之十。

老化度
如参数±1ppm/年，表示每过一年，晶体频偏增加量不会超过1ppm。

在选型中，最重要的是频率精度，这个参数实际上包含了因切割方式，环境温度，工作电压，老化度等因素造成的频偏，决定了晶体的精度等级和工作温度范围，同时这个参数也决定了晶体的价格。

晶振(Oscillator)

1）晶振简介

晶体必须借助外部的有源激励和振荡电路才能起振，振荡频率主要取决于晶体的切割方式，外部振荡电路也部分影响着振荡频率的精度。振荡电路中包含两个Trim电容，由于电容的精度一般比较低，因此即便是完全相同的电路图，振荡频率的频偏也有可能存在一定的差别。

晶振将振荡电路和晶体集成在一个封装内，加电即可输出时钟信号，频率精度较高，价格也略高。

有源晶振根据封装不同，管教排列不同（打点的为“1脚”，逆时钟看）

有个点标记的为1脚，按逆时针（管脚向下）分别为2、3、4。
有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。
方形有源晶振引脚分布：
1、正方的，使用DIP-8封装，打点的是1脚。
1-NC； 4-GND； 5-Output； 8-VCC
2、长方的，使用DIP-14封装，打点的是1脚。
1-NC； 7-GND； 8-Output； 14-VCC
BTW：
1、电源有两种，一种是TTL，只能用5V，一种是HC的，可以3.3V/5V
2、边沿有一个是尖角，三个圆角，尖角的是一脚，和打点一致。
Vcc out
NC（点） GND

可以看到有源晶振 = 无源晶体+逻辑电路

晶振的技术指标如下：
基准频率
晶振在完全理想条件下的振荡频率。
工作电压
晶振的工作需要外接提高一定的电源电压，晶振输出的时钟信号上的噪声与电源噪声密切相关，因此在晶振器件资料上，对电源的质量有一定的要求。
输出电平
晶振与晶体相比，很重要的一个区别就在于晶振只要上电就直接输出时钟信号。信号电平种类有多种，时钟信号的电平也多种多样。选型中应根据所需时钟电平的种类，选择对应的晶振。
工作温度范围
根据环境温度要求的不同，应选择对应的工作温度范围。
例如: -20 ~ 70℃/ -40~ 85℃/-55~105℃
频率精度
对应不同的工作温度范围，可选择不同的频率精度。
例如，±15ppm@-20℃~70℃，其含义是，在-20℃ ~70℃的温度范围内，该晶振输出频率相对基准频率的偏差不会超过15ppm,即在该温度范围内，晶振频率变化的最大值为30ppm。该参数是精度最重要的参数，包含了由于温度变化，电源电压波动，负载变化等因素引起的频率偏差。
老化度
指的是，在恒定的外界条件下测量晶振频率，频率精度与时间之间的关系。
这种长期的频率漂移是由于晶体元件以及振荡电路元件的缓慢老化而造成的。
例如，某晶振的老化度指标是：±1ppm/年，±5ppm/年
启动时间
从上电到晶振输出频率的偏差达到规定的频率精度所需要的时间。这项参数很容易被理解，晶体从受到激励开始，需要一定时间才能到达谐振。

2）晶振的分类

常用的晶振分为三类：标准封装晶体振荡器SPXO，压控式晶体振荡器VCXO，温度补偿式晶体振荡器TCXO。
（1）标准封装晶体振荡器SPXO。
SPXO是最普通的一种晶振，它无温度补偿功能，也无压电控制功能，其频率特性完全取决于晶体以及外部振荡电路，频率精度最高可达到±10ppm。由于SPXO不包含任何频率补偿功能，因此是晶振中精度最差的一个种类。
基准频率越高则成本越高；
频率精度越高则成本越高；

（2）压控式晶体振荡器VCXO。
VCXO是通过外部施加控制电压使振荡频率可调的晶体振荡器，特点是输出频率可以通过输入电压控制，一般控制范围为±50 ~ ±200ppm。
在对晶体的介绍中提到，振荡频率与晶体外部容性CL密切相关。VCXO的频率能被调整的原因，就在于通过改变外加调整电压的大小，能改变容性负载CL的值，从而实现频率的调整。

（3）温度补偿式晶体振荡器TCXO。
TCXO是利用附加的温度补偿电路以减少环境温度对振荡频率影响的一种晶体振荡器。其特点是：频率精度远远高于SPXO和VCXO。
它的工作原理是利用热敏电阻的温度敏感性，当温度变化时，热敏电阻的阻值和电容负载同时发生变化，而容性负载的变化会改变振荡频率，从而实现对振荡频率的修正。

3）无源晶体和有源晶振的优缺点

无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。
相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。

4）输出的波形

无源晶体输出正弦波

有源晶振输出正弦波或方波。

如果有源晶振把整形电路做在有源晶振里面了的话，输出就是方波，
但很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波，这是由于示波器的带宽不够，好像有源晶振20MHz,如果用40MHz或60MHz的示波器测量，显示的是正弦波，这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加，带宽不够的话，就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波，所以显示正弦波。完美的再现方波需要至少10倍的带宽，5倍的带宽只能算是勉强，所以需要至少100M的示波器。

晶振规格书里面我们常看到的CL代表什么了？
CL是指制作石英振荡器加进去的负载电容，所以当用到振荡器的时候就要用到相等的容抗，这样子振荡频率才会准确。单位通常都是PF。32.768K晶振系列的负载电容常见的有12.5PF，6PF,9PF等。MHZ系列的石英晶振常见的负载电容有12PF,15PF，20PF,22PF等。

其实对于晶振来说，其是不需要电容的。而对于晶体则是需要电容的。按照晶振的实际频率和标称频率之间的关系：
Fx = F0(1+C1/(C0+CL))^(1/2)；
而CL = Cg*Cd/(Cg+Cd)+Cs;其中Cs为杂散电容，Cg和Cd为我们外部加的两个电容，通常大家取值相等，它们对串联起来加上杂散电容即为晶振的负载电容CL。
我们可以从中得知负载电容的减小可以使实际频率Fx变大，
从以上的计算公式来说，可以得出一定的结论：
那就是晶振电路上的两个电容可以不相等，通过微调电容的值可以微调晶振的振荡频率，不过如果测了几片晶振，频率有大有小，而且偏移较大，那么这个晶振显然是不合格的。

晶体晶振合集：
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