晶振在电路中起什么作用（晶振电路的原理）

我们经常将晶体振荡器比作数字电路的核心。这是因为数字电路的一切工作都离不开时钟信号。晶体振荡器直接控制整个系统。如果晶振不工作，整个系统就会瘫痪，所以晶振是决定性的因素。数字电路开始工作的先决条件。

我们常说的晶体振荡器是石英晶体振荡器和石英晶体谐振器。它们都是利用石英晶体的压电效应制成的。对石英晶体的两个电极施加电场会导致晶体机械变形，而对晶体两侧施加机械压力会在晶体上产生电场。而且，这两种现象是可逆的。利用这一特性，在晶体两侧施加交流电压，会使晶片产生机械振动，同时产生交变电场。这种振动和电场一般都很小，但在一定频率下，振幅会明显增大。这就是压电谐振，类似于我们常见的LC环路谐振。

晶振作为数字电路的心脏，在智能产品中如何发挥作用？智能家居产品如空调、窗帘、安防、监控等产品都需要无线传输模块。它们通过蓝牙、WIFI或ZIGBEE等协议将模块从一端发送到另一端，或者通过手机直接控制，而晶振是无线模块中的核心部件，影响整个系统的稳定性，因此选择系统中所采用的晶振决定了数字电路的成败。

由于晶振在数字电路中的重要性，我们在使用和设计时需要小心：

1、晶振内部有石英晶体。当受到外界撞击或跌落时，很容易造成石英晶体破裂损坏，进而导致晶振不振。因此，在设计电路时，必须考虑晶振的可靠安装。尽量不要放置在靠近单板边缘或设备外壳的地方。等待。

2、手工焊接或机器焊接时，要注意焊接温度。晶体振荡器对温度比较敏感。焊接时温度不宜过高，加热时间应尽可能短。

合理的晶振布局可以抑制系统辐射干扰

1.问题描述

本产品为外景相机，由核心控制板、传感器板、相机、SD存储卡、电池五部分组成。外壳是塑料壳。小板只有两个接口：DC5V外接电源接口和用于数据传输的USB接口。经过辐射测试，发现33MHz左右存在谐波噪声辐射问题。

原始测试数据如下：

2.分析问题

产品外壳结构为塑料材质，采用非屏蔽材料制成。测试整机时，只有电源线和USB线从外壳中出来。干扰频率是否由电源线和USB线辐射？因此，我们进行了多项测试：

（1）仅在电源线上加磁环，测试结果：改善不明显；

（2）仅在USB线上添加磁环，测试结果：改善依然不明显；

(3) 在USB 线和电源线上添加磁环。测试结果：改善明显，整体干扰频率有所下降。

从上可以看出，干扰频点是从两个接口带出来的。不是电源接口或者USB接口的问题，而是内部干扰频率耦合到这两个接口造成的。仅屏蔽一个接口并不能解决问题。问题。

经过近场测量发现，干扰频点来自于核心控制板上的32.768KHz晶振，产生较强的空间辐射，导致周围走线与GND耦合出32.768KHz谐波噪声，然后通过接口USB 线和电源线耦合辐射。这个晶振的问题是由以下两个问题造成的：

(1)晶振距离板子边缘太近，容易造成晶振辐射噪声。

(2)晶振下方有信号线，容易造成信号线的谐波噪声耦合至晶振。

(3)滤波装置置于晶振下方，滤波电容和匹配电阻没有按照信号流向布置，使得滤波装置的滤波效果变差。

3. 解决方案

根据分析，提出以下对策：

(1)晶振的滤波电容和匹配电阻应先靠近CPU芯片放置，远离板子边缘；

(2)切记不要在水晶放置区域和下方投影区域铺设地板；

(3)晶振的滤波电容和匹配电阻按照信号流向排列，靠近晶振放置整齐、紧凑；

(4) 将晶振靠近芯片放置，两者之间的走线应尽可能短且直。

您可以参考下图的布局：

整改后样机测试结果如下：

4。结论

现在很多系统晶振的时钟频率很高，干扰谐波能量也很强。干扰谐波除了从输入输出线路传导外，还从空间辐射。如果布局不合理，很容易造成强噪声辐射问题，而通过其他方法很难解决，因此PCB板布局时晶振和CLK信号线的布局非常重要。

晶振的PCB设计注意事项

(1) 耦合电容应尽可能靠近晶振电源引脚。放置顺序为：按照电源流入方向，按电容从大到小的顺序。电容最小的电容最靠近电源引脚。

(2)晶振的外壳必须接地，防止晶振向外辐射，屏蔽晶振不受外界信号的干扰。

(3)不要在晶振下方走线，保证地板完整，不要在晶振周围300m以内走线。这可以防止晶体振荡器干扰其他布线、器件和层的性能。

(4)时钟信号的走线应尽可能短，线宽要大一些。在布线长度和距热源的距离之间找到平衡。

(5)不要将晶振放置在PCB板的边缘。设计板子时要特别注意这一点。

晶振和晶振的区别

1）晶振是有源晶振的简称，也称振荡器。英文名称为oscillator。晶体是无源晶体振荡器的简称，也叫谐振器。英文名是水晶。

2）晶振（无源）一般为无极性元件，两个引脚直接插接。它需要时钟电路的帮助来产生振荡信号。常见的有49U和49S封装。

3）晶振（有源）一般为表贴四脚封装，内部有时钟电路。它只需要电源即可产生振荡信号。一般分为几种封装形式：7050、5032、3225、2520。

MEMS硅晶振与石英晶振的区别

MEMS硅晶体振荡器以硅为原材料，采用先进的半导体工艺制造。因此，它在高性能和低成本方面较石英具有明显的优势，具体体现在以下几个方面：

1）全自动化半导体工艺（芯片级），无气密性问题，永不停歇。

2）内部含有温度补偿电路，无温漂，保证在-40-85工作。

3）平均无故障工作时间：5亿小时。

4）抗震性能是石英振荡器的25倍。

5）支持1-800MHZ任意频点，输出精确到小数点后5位。

6）支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多种工作电压匹配。

7）支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等多种精度匹配。

8) 支持7050、5032、3225、2520所有标准尺寸封装。

9) 标准四引脚和六引脚封装，无需任何设计改动，可直接替代石英振荡器。

10）支持差分输出、单端输出、电压控制（VCXO）、温度补偿（TCXO）等产品类型。

11）市场增长率达300%，预计三年内取代80%以上的石英振荡器市场。

晶体谐振器的等效电路

上图是一个简化电路，在谐振频率附近具有与晶体谐振器相同的阻抗特性。其中：C1为动态电容，又称等效串联电容； L1为动态电感，又称等效串联电感； R1为动态电阻，又称等效串联电阻； C0是静态电容，也称为等效并联电容。

该等效电路中有两个最有用的零相位频率，其中一个是谐振频率（Fr），另一个是反谐振频率（Fa）。当晶体元件实际用于振荡电路时，通常会连接一个负载电容，共同使晶体工作在Fr和Fa之间的频率。该频率由振荡电路的相位和有效电抗决定。通过改变电路的电抗条件，可以在有限的范围内调节晶体频率。

关键参数

1 标称频率

是指晶振元件规格书中规定的频率，是用户在设计电路和采购元件时希望的理想工作频率。

2 调整频差

参考温度下工作频率与标称频率的最大允许偏差。常用ppm表达方式

如果将ppm换算成百分号“%”：1ppm=0.0001%。

但在大多数科技期刊中，不再使用ppm，而是使用千分位符号“”。 ppm换算成为：1ppm=0.001。

ppm 指百万分之一，类似地b 和t 分别代表十亿和万亿。

即1ppm=10^-6数量级，类似于ppb、ppt等，分别是-9倍和-12倍。

3 温度频率差

在整个温度范围内工作频率与参考温度的允许偏差。通常以ppm 表示。

4 老化率

是指在规定条件下，因时间而引起的频率漂移。该指标对于精密晶体来说是必要的，但它“没有明确的测试条件，而是由制造商通过对所有产品有计划的抽查来持续监督。某些晶体元件可能比规定的水平更差。这是允许的”（根据老化问题只能通过制造商和用户之间的密切协商才能得到最好的解决。

5 谐振电阻（Rr）

指晶体元件在谐振频率下的等效电阻。当不考虑C0的作用时，它也约等于晶体的所谓动态电阻R1或等效串联电阻（ESR）。该参数控制着晶振元件的品质因数，也决定了应用电路中晶振的振荡水平，从而影响晶振的稳定性以及能否理想地起振。因此它是晶体元件的一个重要指标参数。一般来说，对于给定的频率，选择的晶体盒越小，平均ESR值可能越高；大多数情况下，特定晶体元件的电阻值在制造过程中无法预测，只能保证。电阻将低于规格中给出的最大值。

6 负载谐振电阻（RL）

指与指定的外部电容器串联的晶体元件在负载谐振频率FL下的电阻。对于给定的晶体元件，其负载谐振电阻值取决于与该元件一起工作的负载电容值。串联负载电容后的谐振电阻总是大于晶体元件本身的谐振电阻。

7 负载电容（CL）

有效外部电容与晶体元件一起决定负载谐振频率FL。晶体元件规格中的CL是测试条件和使用条件。可以根据用户的具体用途适当调整该值，以微调FL的实际工作频率（即可以调整晶体的制造公差）。但它有一个合适的值，否则会引起振荡电路的恶化。其值通常为10pF、15pF、20pF、30pF、50pF、等，其中CL标记为时，表示用于串联谐振电路中。不加负载电容，工作频率为晶振（串联）谐振频率Fr。用户应注意，对于某些晶体（包括未封装的振荡器应用），在一定生产规格所建立的负载电容下（特别是当负载电容较小时），电路实际电容0.5pF的偏差会产生 1010-6频率误差。因此，负载电容是一个非常重要的订购规格指标。

8 静态电容（C0）

等效电路静态臂中的电容。其尺寸主要取决于电极面积、晶圆厚度和晶圆加工工艺。

9 动态电容（C1）

等效电路中动态臂中的电容。其大小主要取决于电极面积，也与晶圆的平行度和微调量有关。

10 动态电感（L1）

等效电路中动臂的电感。动态电感和动态电容是一对相关量。

11 共振频率（Fr）

指在指定条件下晶体元件的电阻抗为电阻性的两个频率中较低者。根据等效电路，当不考虑C0的作用时，Fr由C1和L1决定，约等于所谓的串联（支路）谐振频率（Fs）。该频率是晶体的自然谐振频率。在高稳定晶振的设计中，作为设计参数，使晶振稳定工作在标称频率，确定频率调节范围，设置频率微调装置。

12 负载谐振频率（FL）

是指晶体元件在规定条件下与负载电容串联或并联时，其组合阻抗变为阻性时的两种频率之一。当负载电容串联时，FL为两个频率中较低的一个频率；当负载电容并联时，FL为较高频率。对于给定的负载电容（CL）值，实际上，这两个频率是相同的；和

该频率是大多数晶体应用中电路中显示的实际频率。也是制造商为满足用户对产品满足标称频率的要求而采用的测试指标参数。

13 品质因数（Q）

品质因数又称机械Q值，是反映谐振器性能的重要参数。与L1、C1有如下关系：

Q=wL1/R1=1/wR1C1

由上式可知，R1越大，Q值越低，功耗越大，同时也会导致频率不稳定。反之，Q值越高，频率越稳定。

14 驱动等级

是应用于晶体元件的激发条件的度量，以耗散功率表示。所有晶体元件的频率和电阻都随着激励电平的变化而发生一定程度的变化。这称为激发水平依赖性（DLD）。因此，订购说明书中的激励电平必须是晶体实际应用电路中的激励。等级。由于晶体元件固有的激励电平相关特性，用户在设计振荡电路和使用晶体时，必须注意并确保激励电平不会太低，导致振荡不良或激励频率过高异常。

15 激励水平依赖性（DLD）

由于压电效应，激励电平迫使谐振器产生机械振荡。在此过程中，加速功转化为动能和弹性能，消耗的功率转化为热量。后者的转换是由石英谐振器的内部和外部之间的摩擦引起的。

摩擦损失与振动颗粒的速度有关。当振荡不再是线性时，或者当石英振荡器内部或其表面和安装点上的张力或应变、位移或加速度达到临界值时，摩擦损失将会增加。这会导致频率和电阻的变化。

加工过程中DLD失败的主要原因如下。结果可能是无法震动：

1) 谐振器表面有颗粒污染。主要原因是生产环境不洁净或非法接触晶圆表面；

2) 谐振器机械损坏。主要原因是磨削过程中产生的划痕。

3）电极内有颗粒或银球。主要原因是真空室不干净、镀膜率不合适。

4）安装时电极接触不良；

5）支架、电极和石英板之间存在机械应力。

16 DLD2（单位：欧姆）

不同激励电平下负载谐振电阻的最大值和最小值之差。 （例如：从0.1uw~200uw，共20步）。

17 RLD2（单位：欧姆）

不同激励电平下负载谐振电阻的平均值接近谐振电阻Rr的值，但较大。 （例如：从0.1uw~200uw，共20步）。

18 寄生响应

所有晶体元件除了其主要响应（所需频率）外，还具有其他频率响应。减弱寄生响应的方法是改变晶圆、电极的几何尺寸以及晶圆加工工艺，但同时也会改变晶体的动态和静态参数。

寄生响应的测量

1）SPDB用DB表示Fr的幅值与最大杂散幅值之差；

2）最大寄生点的SPUR电阻；

3) SPFR 是最小寄生电阻与谐振频率之间的距离，以Hz 或ppm 表示。

晶振的分类

1 封装石英振荡器(SPXO)

无温度控制或温度补偿的石英振荡器。频率-温度特性取决于石英振荡晶体本身的稳定性。

2 温度补偿石英振荡器(TCXO)

添加了温度补偿电路，以降低石英振荡器因环境温度变化而产生的频率。

3 压控石英振荡器(VCXO)

控制外部电压以便改变或调制输出频率的石英振荡器。

4 恒温槽石英振荡器（OCXO）

石英振荡器或石英振荡器晶体用恒温槽保持在一定温度，并控制其输出频率以保持周围温度的很小变化。

除上述四种振荡器外，随着PLL、Digital、Memory等技术的应用，具有其他功能的多元化石英振荡器也在迅速增加。