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晶振的作用是什么？振蕩電路的工作原理和電路設計

瀏覽量：1367 上傳更新：2023-10-20

石英晶體諧振器的功能是鎖定電路的振蕩頻率，在電子電路中得到廣泛使用。優秀的電路設計及周邊元件配置，可以使晶體諧振器工作在良好的狀態，客戶電路的頻率穩定度也會得到更好的保證。石英晶振分為有源的晶體振蕩器和無源的晶體諧振器兩種。

晶體振蕩器也稱為有源晶振 (Oscillator, OSC, XO)，只要電路提供直流電源電壓即可輸出振蕩波形和頻率。

晶體諧振器也稱無源晶振 (Crystal, X’tal)，需要電路里IC提供激勵才能產生振蕩。

如何才能讓電路與晶體諧振器達到良好的匹配工作狀態，電路設計工程師需要關注哪些內容呢？晶振廠商應達利帶您深入了解以下幾點：

振蕩電路提供給晶體的負性阻抗
振蕩電路給予晶體的激勵功率
振蕩電路的工作頻率

振蕩電路的負性阻抗

為了保證振蕩電路能夠在足夠短的時間內可靠起振，需要電路的負性阻抗-R足夠大。 -R越大，振蕩器越容易起振，起振的時間也越短。

晶體振蕩電路的負性阻抗主要是整個振蕩回路的增益gm來決定：

根據 IEC60444-6 的說明及建議，振蕩回路的負阻在大于或等于晶體Rr的3倍時，振蕩回路的增益就可使振蕩電路工作；若-R低于3倍時，會出現振蕩電路與石英諧振器的匹配不良，容易出現不起振或振蕩不穩定、間歇起振、振蕩啟動時間延長等問題。

一般電路的負性阻抗-R能夠達到5倍或以上，更利于電路的起振及頻率的穩定。

振蕩電路的激勵功率

當電路通電，IC工作信號注入晶體，驅使晶體諧振器振蕩時，內部的石英晶片會產生機械振蕩，由于晶片的變形、震動和內部摩擦等，將會產生一些損耗。如果激勵強度過小，容易出現起振困難，且信號的信噪比較差；而激勵強度過大時，可能引起晶體的不可逆損壞。

使用高頻電流探頭測試流過晶體電流Ix的有效值，可以算出電路給予晶體的激勵功率DL ：

DL=I2*RL ， RL=Rr*(1+Co/Cpcb)2

Rr 是晶振的諧振阻抗，Co是晶振的靜態電容，Cpcb是電路對晶體的負載電容。

一般情況下，減小Cg，Cd或者增大Rd就可以降低電路的激勵功率。

驅動功率DL的合理范圍： MHz DL=1~100uW； KHz DL<1uW

振蕩電路的輸出頻率

晶體振蕩電路的作用是提供振蕩頻率，那么如何才能獲得期望的輸出頻率呢？

晶體諧振器在電路里的輸出頻率，是受到電路等效負載電容影響的，只有當振蕩電路PCB 板上有效負載電容Cpcb，等于晶體諧振器的負載電容CL時，晶體工作時的條件才會與晶體供貨商的負載相同，電路的輸出頻率才是晶體的負載諧振頻率，此時可得出最理想的輸出頻率Fpcb：

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

振蕩電路的PCB 板上有效負載電容Cpcb計算公式是：Cpcb= C1×C2/(C1+C2)+Cs

Cs是 PCB 的雜散電容的總和：主要是由PCB的分布電容和 IC 內部的結電容構成，對晶體的振

動頻率及電路振蕩穩定性有著極大的影響。

總之，當振蕩電路的基本結構確定后，電路設計時工程師需要對電路的負性阻抗、激勵功率、在板頻率輸出進行確認，通過對 C1、C2、Rd 的優化調節，得到理想晶體振蕩電路設計，使振蕩電路與晶體諧振器達成完美的匹配，消除潛在的不良因素，獲得穩定的頻率輸出。

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