晶振工作原理与元件选型

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晶振工作原理与元件选型

    一、皮尔斯振荡器
  d) [4 e6 J% A& T    二、晶体等效电路
    三、实际搭建电路
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一、皮尔斯振荡器
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' l4 j8 G: q! N: @7 N: V' u# `. F如图为一个典型的皮尔斯振荡器， 这是一种电子振荡电路，适用于配合石英振荡晶体以产生振荡信号。

反馈振荡电路的原理可简单用下图来解释。
( A2 b2 t% m# m1 K: t 其前向通道为放大器部分，

- u3 a, P+ I: n- y反馈通道则有

当满足幅度条件和相位条件，即满足

时，电路能够产生自激振荡。
二、晶体等效电路
" F0 `- }  k+ ?( L5 g; D
一般晶体可转化为小信号等效电路， R 是串联电阻，L 和 C 是起动或串联电感、电容，C0 是分流电容，代表了晶体盒中共振器和寄生电容的低频并联电容量的总和。任何在 OSC1 和 OSC2 引脚之间的附加寄生电容都包括在这个值里。

当等效电路中的R、L、C支路产生串联谐振时，呈纯阻性，等效电阻为R，串联谐振频率为

% \! l* a  v9 t) T; Q- [/ D此时整个石英晶体等效为R与C0并联，通常R<<ωC0，故可近似认为石英晶体是很小的纯电阻。
- C% z. s1 Z. {. S+ S+ W  j  q
9 x9 v7 k' x  t* p7 Q; u当f<fs时，R、L、C电路呈，容性，石英晶体也呈容性；当f>fs时，石R、L、C电路成感性，可与C0产生并联谐振，并联谐振频率为
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当f>fp时，石英晶体重返容性，如下图所示。
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; m% F$ F- |- u5 v+ t2 R' w$ C/ s由于C<<C0，所以fp≈fs。由于只有在fp>f>fs的很窄的频率范围内，石英晶体呈感性，C和C0相差越大，石英晶体呈感性的频带愈狭窄。而石英晶体工作在谐振频率下时呈感性，故感性频带越狭窄，谐振频率越精确，约等于石英晶体的并联谐振频率fp。
! l, t8 P9 p4 [5 x, ~三、实际搭建电路
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' g4 g) K2 F4 ?9 `$ ^1 Z下图为PCB布线时实际搭建的皮尔斯振荡器。
" W7 g& a- p! L5 t9 C: B
RF为内部反馈电阻，RExt为限流电阻，CL1和CL2为两个外部负载电容，Cs是由于PCB布线及连接等寄生效应引起的等效杂散电容(OSC_IN和OSC_OUT管脚上)。

反馈电阻
9 Y, @- j  ^& O6 u反馈电阻RF作用通过引入反馈使反向器的功能等同于一个反向放大器，迫使反向器工作在线性区域，从引发晶振起振，如图。在某些情况下，如果在起振后去掉反馈电阻RF ，振荡器仍可以继续正常运转。

反馈电阻一些典型值如下表所示。
$ a- J' f' A) T  y$ B
! v% F$ p" D& _* u7 m( L  Q, ?负载电容
( ?0 C4 [3 Z' \9 m9 k9 d负载电容CL的表达式如下：

: K7 A- P( C! t4 nCL1和CL2为外部电容器，要求容值相同，Cs为印刷电路板上的杂散电容。CL值由晶振制造商给出，通过调整CL1和CL2使CL达到制造商的标定值。计算时，Cs可粗略估计为5pF。一个8MHz封装无源晶振的CL标定值为10pF，代入计算，可得CL1=CL2=10pF。
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限流电阻
限流电阻RExt起限制晶振电流大小的作用。如果晶振的功耗超过晶振制造商的给定值，外部电阻R Ext 是必需的，用以避免晶振被过分驱动。如果晶振的功耗小于晶振制造商的给定值，就不推荐使用RExt 了，它的值可以是0Ω。对R Ext 值的预估可以通过考虑由R Ext 和C L2 的电压分压RExt/CL2实现(注意到RExt 和CL2构成了一个分压/滤波器，考虑通带宽度应不小于振荡器频率)，则有R Ext 的值等于CL2 的电抗：
2 v2 g8 |' T) b8 d
谐振频率
由于谐振回路中电容电流比总电流大得多，所以可以近似认为谐振时两个负载电容中的电流相同，即可视为CL1、CL2与C0并联，此时其总容量远大于C，所以电路的振荡频率约等于石英晶体的并联谐振频率fp。
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$ v. Y: U  N: n' }8 ?; d

Ele_insect

如果不是整体故障的话，晶体不能按预期工作会导致项目延迟。

架海梁心

无源晶振的起振需要通过外加负载电容才能正常工作。

名字好听吗

晶振线路两旁电容C1,C2.晶振匹配电容选择：[（C1*C2）/（C1+C2）]+等效电容 = CL，C1,C2是晶振旁边的两颗外接电容，CL为晶振负载电容