晶振的作用是什么？振荡电路的工作原理和电路设计

浏览量：372 上传更新：2023-10-20

石英晶体谐振器的功能是锁定电路的振荡频率，在电子电路中得到广泛使用。优秀的电路设计及周边元件配置，可以使晶体谐振器工作在良好的状态，客户电路的频率稳定度也会得到更好的保证。石英晶振分为有源的晶体振荡器和无源的晶体谐振器两种。

晶体振荡器也称为有源晶振 (Oscillator, OSC, XO)，只要电路提供直流电源电压即可输出振荡波形和频率。

晶体谐振器也称无源晶振 (Crystal, X’tal)，需要电路里IC提供激励才能产生振荡。

如何才能让电路与晶体谐振器达到良好的匹配工作状态，电路设计工程师需要关注哪些内容呢？晶振厂商应达利带您深入了解以下几点：

振荡电路提供给晶体的负性阻抗
振荡电路给予晶体的激励功率
振荡电路的工作频率

振荡电路的负性阻抗

为了保证振荡电路能够在足够短的时间内可靠起振，需要电路的负性阻抗-R足够大。 -R越大，振荡器越容易起振，起振的时间也越短。

晶体振荡电路的负性阻抗主要是整个振荡回路的增益gm来决定：

根据 IEC60444-6 的说明及建议，振荡回路的负阻在大于或等于晶体Rr的3倍时，振荡回路的增益就可使振荡电路工作；若-R低于3倍时，会出现振荡电路与石英谐振器的匹配不良，容易出现不起振或振荡不稳定、间歇起振、振荡启动时间延长等问题。

一般电路的负性阻抗-R能够达到5倍或以上，更利于电路的起振及频率的稳定。

振荡电路的激励功率

当电路通电，IC工作信号注入晶体，驱使晶体谐振器振荡时，内部的石英晶片会产生机械振荡，由于晶片的变形、震动和内部摩擦等，将会产生一些损耗。如果激励强度过小，容易出现起振困难，且信号的信噪比较差；而激励强度过大时，可能引起晶体的不可逆损坏。

使用高频电流探头测试流过晶体电流Ix的有效值，可以算出电路给予晶体的激励功率DL ：

DL=I2*RL ， RL=Rr*(1+Co/Cpcb)²

Rr 是晶振的谐振阻抗，Co是晶振的静态电容，Cpcb是电路对晶体的负载电容。

一般情况下，减小Cg，Cd或者增大Rd就可以降低电路的激励功率。

驱动功率DL的合理范围： MHz DL=1~100uW； KHz DL<1uW

振荡电路的输出频率

晶体振荡电路的作用是提供振荡频率，那么如何才能获得期望的输出频率呢？

晶体谐振器在电路里的输出频率，是受到电路等效负载电容影响的，只有当振荡电路PCB 板上有效负载电容Cpcb，等于晶体谐振器的负载电容CL时，晶体工作时的条件才会与晶体供货商的负载相同，电路的输出频率才是晶体的负载谐振频率，此时可得出最理想的输出频率Fpcb：

Fpcb=Fr*(1+C1/(2*(Co+Cpcb)))， Fr=1/(2*π*Sqrt(C1*L1))

振荡电路的PCB 板上有效负载电容Cpcb计算公式是：Cpcb= C1×C2/(C1+C2)+Cs

Cs是 PCB 的杂散电容的总和：主要是由PCB的分布电容和 IC 内部的结电容构成，对晶体的振

动频率及电路振荡稳定性有着极大的影响。

总之，当振荡电路的基本结构确定后，电路设计时工程师需要对电路的负性阻抗、激励功率、在板频率输出进行确认，通过对 C1、C2、Rd 的优化调节，得到理想晶体振荡电路设计，使振荡电路与晶体谐振器达成完美的匹配，消除潜在的不良因素，获得稳定的频率输出。

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