晶振的選擇方法與重要參數(shù)

晶振，全名叫“晶體振蕩器”，它在電路當中起到產生振蕩頻率的作用，我們都知道，單片機可以看成是在時鐘驅動下的時序邏輯電路，那么這個所需要的時鐘就是晶振來產生，可以說它的單片機的心臟，讓單片機時刻有脈動，它控制著計算機的工作節(jié)奏，晶振的頻率有32.768kHz、1MHz、2MHz、4MHz、8MHz、12MHz……當然，還有很多其他頻率。

晶振有無源晶振以及有源晶振，我們平時看到在電路板上面由電容、電阻等元器件來助起振的晶振其實就是無源晶振，它需要外部元器件輔助;二有源晶振它在單片機內部里面，它不用外部元器件輔助起振。時鐘信號可以三種方式產生：一種是內部方式，利用芯片內部的振蕩電路，不過一般是RC振蕩電路，產生時鐘信端;另兩種為外部方式，即外接一個晶振，時鐘信號由外部引入和引入外部振蕩器作為輸入。

可以說現(xiàn)在的晶振很多，我說的是單片機外接的晶振，有石英晶振，有溫度補償?shù)木д竦鹊龋敲次覀冊谶x擇晶振時候需要注意哪些細節(jié)呢?

晶振主要的參數(shù)無非主要是這幾個：類別、規(guī)格尺寸、輸出波形工作電壓、溫度......

1) 類別

晶振大致分為兩類：

1. 無源晶振：一般消費級產品或者對精度要求不高的產品，推薦使用價格更低的無源晶振。

晶體諧振器Crystal Resonator需要匹配外部諧振電路才可以輸出信號，自身無法振蕩。

2. 有源晶振：高端產品或工業(yè)級以上的產品推薦使用更穩(wěn)定的時鐘振蕩器，更高要求的產品推薦使用TCXO/OCXO。

時鐘振蕩器Clock Oscillator比無源晶振輸出信號好，穩(wěn)定度高，不受外部電路影響，內部有獨立起振芯片。

壓控晶振VCXO可以調整控制端電壓改變輸出頻率。

溫補晶振TCXO含有溫度補償電路以減少環(huán)境溫度對振蕩頻率的影響。TCXO比適時鐘振蕩器有更好性能。

恒溫晶振OCXO將晶體放置于恒溫槽，不受外界溫度影響，頻率穩(wěn)定度在所有類型的晶振中是最好的，電路設計極其精密，短穩(wěn)和相位噪聲都非常好。

2) 規(guī)格尺寸

近年來，晶振的封裝尺寸朝著小型化發(fā)展,例如便攜式設備需要對封裝有嚴格的要求。小尺寸貼片可達到1.6x1.2mm。

3) 輸出波形

KOAN晶振家族中的輸出波形普遍分為方波Square Wave和正弦波Sine Wave兩類。其中方波有非差分和差分輸出的選擇;正弦波有準正弦波和削峰正弦波的選擇。方波的輸出功率大，驅動能力強，但是諧波分量豐富。主要應用在數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上。正弦波的功率不如方波，但是諧波分量小。每種類型都有不同的特性和用途。

4) 工作電壓

振蕩器的頻率穩(wěn)定度會受到電源電壓變動和負載變動的影響。在超過建議的電源電壓下工作會造成穩(wěn)定性和波形變差。下圖為KS70(時鐘振蕩器7.0x5.0mm CMOS輸出)的電壓選擇：

5) 溫度穩(wěn)定性

振蕩器的主要特性是溫度穩(wěn)定性，這是取決于振蕩器價格的重要因素。穩(wěn)定度越高，溫度范圍越寬，價格也就越高。在選擇晶振時，我們應按照實際需求選擇穩(wěn)定度。下圖為KS50(時鐘振蕩器5.0x3.2mm CMOS輸出)：

6) 相位噪聲和抖動

晶振的短期頻率穩(wěn)定度由噪聲引起導致的頻率不穩(wěn)定。從頻域來看，對應的參數(shù)是相位噪聲Phase Noise是衡量晶振性能的重要指標。從時域來看，對應的參數(shù)是抖動Jitter。時間和頻域之間的關系互為倒數(shù)Time=1/Frequency。

7) 工作環(huán)境

在選擇晶振的時候，不僅要考慮電路設計和應用需求，也需要結合實際工作的環(huán)境。比如終端產品應用在高振動，高沖擊的環(huán)境;有外部磁場干擾的環(huán)境;高低溫溫濕度有差異的環(huán)境中。

晶振還有幾個重要參數(shù)：

1，晶體元件規(guī)格書中所指定的頻率，也是工程師在電路設計和元件選購時首要關注的參數(shù)。晶振常用標稱頻率在1～200MHz之間，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等，更高的輸出頻率也常用PLL(鎖相環(huán))將低頻進行倍頻至1GHz以上。我們稱之為標稱頻率。

2，輸出信號的頻率不可避免會有一定的偏差，我們用頻率誤差(Frequency Tolerance)或頻率穩(wěn)定度(Frequency Stability)，用單位ppm來表示，即百萬分之一(parts per million)(1/106)，是相對標稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。比如，12MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為12×20Hz=±240Hz，即頻率范圍是(11999760～12000240Hz)。

3，還有一個溫度頻差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定溫度范圍內，工作頻率相對于基準溫度時工作頻率的允許偏離，它的單位也是ppm。

4，另外，負載電容CL(Load capacitance)，它是電路中跨接晶體兩端的總的有效電容(不是晶振外接的匹配電容)，主要影響負載諧振頻率和等效負載諧振電阻，與晶體一起決定振蕩器電路的工作頻率，通過調整負載電容，就可以將振蕩器的工作頻率微調到標稱值。更準確而言，無源晶體的負載電容是一項非常重要的參數(shù)，因為無源晶體屬于被動元器件，所謂的被動元器件即是自身不能工作，需要外部元器件協(xié)助工作，無源晶體即是!

其中：

CS為晶體兩個管腳之間的寄生電容(又名晶振靜態(tài)電容或Shunt Capacitance)，在晶體的規(guī)格書上可以找到具體值，一般0.2pF~8pF不等。如圖二是某32.768KHz的電氣參數(shù)，其寄生電容典型值是0.85pF(在表格中采用的是Co)。

CG指的是晶體振蕩電路輸入管腳到GND的總電容，其容值為以下三個部分的和。

需加外晶振主芯片管腳芯到GND的寄生電容 Ci

晶體震蕩電路PCB走線到到GND的寄生電容CPCB

電路上外增加的并聯(lián)到GND的外匹配電容 CL1

CD指的是晶體振蕩電路輸入管腳到GND的總電容。容值為以下三個部分的和。

需加外晶振主芯片管腳芯到GND的寄生電容, Co

晶體震蕩電路PCB走線到到gnd的寄生電容，CPCB

電路上外增加的并聯(lián)到GND的外匹配電容, CL2

既然晶振的負載電容是一個非常重要的參數(shù)，如果此項參數(shù)與外部電容匹配不正確會導致什么樣的現(xiàn)象?晶振兩端的等效電容與晶振標稱的負載電容匹配不正確，晶振輸出的諧振頻率將與標稱工作的工作頻率會產生一定偏差(又稱之為頻偏)，負載電容(load capacitance)主要影響負載諧振頻率和等效負載諧振電阻，它與石英諧振器一起決定振蕩器的工作頻率，通過調整負載電容，一般可以將振蕩器的工作頻率調到標稱值。應用時我們一般外接電容，便是為了使晶振兩端的等效電容等于或接近負載電容，對于要求高的場合還要考慮ic輸入端的對地電容，這樣便可以使得晶振工作的頻率達到標稱頻率。所以合理匹配合適的外加電容使晶振兩端的等效電容等于或接近負載電容顯得十分重要。

負載電容常用的標準值有12.5 pF，16 pF，20 pF，30pF,負載電容和諧振頻率之間的關系不是線性的，負載電容變小時，頻率偏差量變大;負載電容提高時，頻率偏差減小。圖3是一個晶體的負載電容和頻率的誤差的關系圖。

結語

現(xiàn)在有很多芯片內部已經增加了補償電容(internal capacitance)，所以在設計的時候，只需要選按照芯片datasheet推薦的負載電容值的選擇晶體即可，不需要額外再加電容。但是因為實際設計的寄生電路的不確定性，最好還是預留CL1/CL2的位置。

審核編輯：湯梓紅