晶振是什么,干货哥告诉你

adminadmin 2024-11-23 127 阅读

晶振是石英晶体谐振器(quartzcrystaloscillator)的简称,也称有源晶振,它能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须的时钟频率信号,CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的,时钟信号频率越高,通常CPU的运行速度也就越快。

只要是包含CPU的电子产品,都至少包含一个时钟源,就算外面看不到实际的振荡电路,也是在芯片内部被集成,它被称为电路系统的心脏。

如下图所示的有源晶振,在外部施加适当的电压后,就可以输出预先设置好的周期性时钟信号,

输出信号的频率不可避免会有一定的偏差,我们用频率误差(FrequencyTolerance)或频率稳定度(FrequencyStability),用单位ppm来表示,即百万分之一(partspermillion)(1/106),是相对标称频率的变化量,此值越小表示精度越高。

比如,12MHz晶振偏差为±20ppm,表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz,即频率范围是(11999760~12000240Hz)

另外,还有一个温度频差(FrequencyStabilityvsTemp)表示在特定温度范围内,工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离,它的单位也是ppm。

我们经常还看到其它的一些参数,比如负载电容、谐振电阻、静电容等参数,是神马情况?这些与晶体的物理特性有关。我们先了解一下晶体,如下图所示

石英晶体有一种特性,如果在晶片某轴向上施加压力时,相应施力的方向会产生一定的电位

相反的,在晶体的某些轴向施加电场时,会使晶体产生机械变形;

如果在石英晶片上加上交变电压,晶体就会产生机械振动,机械形变振动又会产生交变电场,尽管这种交变电场的电压极其微弱,但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(与切割后的晶片尺寸有关,晶体愈薄,切割难度越大,谐振频率越高)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为“压电谐振”。

将石英晶片按一定的形状进行切割后,再用两个电极板夹住就形成了无源晶振,其符号图如下所示:

下图是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。

其中:C1为动态等效串联电容;

L1为动态等效串联电感;

R1为动态等效串联电阻,它是晶体内部摩擦性当量

C0为静态电容,相当于两个电极板之间的电容量;

这个等效电路有如下图所示的频响特性曲线:

当R1、L1、C1串联支路发生谐振的频率即串联谐振频率(Fr),此时容抗与感抗相互抵消,因此,支路相当于只有等效串联电阻R1。

这个频率是晶体的自然谐振频率,它在高稳晶振的设计中,是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数(但不是标称频率),其表达式如下所示:

等效串联电阻R1决定晶体元件的品质因数,品质因数又称机械Q值,它是反映谐振器性能好坏的重要参数,它与L1和C1有如下关系:

R1越大,Q值越低,会导致频率不稳定,反之,Q值越高,频率越稳定,晶体的特点在于它具有很高的品质因素。

等效电路还有一个反谐振频率fL(并联谐振频率),此时串联支路呈现为感抗,相当于一个电感,如下图所示:

此时的频率如下图所示:

通常厂家的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL,实际的晶体元件应用于振荡电路中时,它一般还会与负载电容相联接,共同作用使晶体工作于Fr和FL之间的某个频率,这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定,通过改变电路的电抗条件,就可以在有限的范围内调节晶体频率。

当负载电容与晶体串联时,如下图所示:

串接的小电容CL可以使石英晶体的谐振频率在一个小范围内调整,此时新的负载谐振频率如下式所示:

其中,C1远远小于C0+CL

当负载电容与晶体并联时,如下图所示:

同样,并联的负载CL也可以小范围调整谐振频率,相应的负载谐振频率如下式:

从实际效果上看,对于给定的负载电容值,F’r与F’L两个频率是相同的,这个频率是晶体的绝大多数应用时所表现的实际频率,也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数,也就是本文最开头介绍的晶振标称频率,

当晶体元件与外部电容相连接时(并联或串联),在负载谐振频率时的电阻即为负载谐振电阻RL,它总是大于晶体元件本身的谐振电阻。

The End

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