晶振詳解之工作原理

2021-09-28 14:45:51 字數 1937 閱讀 2895

晶體or晶振,還是傻傻分不清楚?

晶體是晶體諧振器(crystal)的簡稱,也稱為無源晶體。一般是利用石英晶體的壓電效應,用來產生高精度振盪頻率的一種電子元件。無源晶體需要依靠電容電阻才能進行起振。

晶振是晶體振盪器(oscillator)的簡稱,也稱為有源晶振。有源晶振內部整合了起振電路,無需外部新增其他元器件即可正常工作,但其需要外部電源供電。

在封裝上晶體通常為兩腳和四腳,晶振通常為四腳或四腳以上。可以肯定的是,兩腳的一定是晶體。對於四腳的晶體和晶振,需要觀察其外圍電路是否有其他器件連線,如若無則為有源晶振。或者檢視高度,一般晶振的厚度比晶體要高。

常見晶體晶振實物如下圖所示:

晶振的工作原理

晶振的等效電路:

r是esr串聯等效阻抗,l和c分別是等效電感和電容,cp為寄生電容。

晶振的電抗頻譜線:

當晶振在串聯諧振狀態下工作時,線路表現為純阻性,感抗等於容抗(xl=xc),串聯諧振頻率為:

當晶振在併聯諧振狀態下工作時,線路表現為純感性。在這種模式下,工作頻率由晶振的負載決定。對於併聯諧振狀態的晶振,晶振製造商應該指定負載電容cl。在這種模式下,諧振頻率:

在併聯諧振模式下,電抗線中fs到fa的斜線區域內,通過調整晶振的負載,晶振都可以振盪起來。

晶振電路

晶振振盪電路圖如下圖所示。這樣的組成可以使晶振處於併聯諧振模式。反相器提供了180°的相移,晶振、r1、c1、c2組成的π型網路產生另外180°的相移。所以整個環路的相移為360°。這滿足了保持振盪的乙個條件。另外乙個條件是要求閉環增益應≥1,才能正確起振和保持振盪。

電阻rf產生負反饋,它將反相器設定在中間補償區附近,使反相器工作在高增益線性區域。電阻值很高,範圍通常在500kω ~2mω內。圖示的c1,c2就是為晶振工作在併聯諧振狀態下得到負載電容cl的電容。關於最優的負載電容cl的計算公式為:

其中cs為pcb中晶振引腳寄生電容,典型值為2-5pf。通常c1,c2值取值相等。r1是驅動限流電阻,主要功能是限制反相器輸出,這樣晶振不會被過驅動(over driven)。r1、c1組構成分壓電路,這些元器件的數值是以這樣的方式進行計算的:反相器的輸出接近rail-to-rail值,輸入到晶振的訊號是rail-to-rail的60%,通常實際是令r1的電阻值和的c1容抗值相等,即r1 ≈ xc1。這使晶振只取得反相器輸出訊號的一半。要一直保證晶振消耗的功率在廠商說明書規定範圍內,過驅動會損壞晶振。

一些晶元內建了這些外部器件(rf,r1,c1,c2),因此消除了電路設計師的煩惱。這種情況下,只要把晶振連線在xtal引腳上即可。

參考

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