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晶振电路设计知识1 名词解释1.1 压电效应：压电晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化，在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷1.2 逆压电效应：对压电晶体沿一定方向施加电场引起晶体机械变形的现象2 主要内容2.1 晶体振荡原理石英晶体的材质为SiCh，理想的晶体结构是六方晶系，为各向异性的压电晶体，具有压电和逆压电效应当在石英晶体能产生电荷的两个面上加以交变电压，石英晶体会发生周期性的机械振动，周期性的机械振动又使得晶体两端产生交变的电压当外加交变电压的频率为某一特定值时，晶体振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得多，产生共振,这种现象称为压电谐振晶体谐振器正是利用晶体的压电谐振特性来产生固定的谐振频率2.2 晶体振荡电路2.2.1基频振荡5.2.1.1基频振荡电路晶体工作在其基频振动状态，晶片厚度与振动频率成反比，振动频率越高，要求晶片越薄基频振荡电路如图1,要求振荡电路满足三点式振荡电路要求，参考附录7.2图中，Rf为反馈电阻，其作用是稳定输出幅度和相位，其取值为200K〜IMohm； R1为驱动限流电阻，限制反向放大器输出幅度，同时起到抑制EMI的作用；该电阻可以不使用，但当芯片输出功率较大时，或是振荡频率较高时，建议使用该限流电阻,以防止晶体被过驱动；该电阻不能太大，其阻值应与C2电容的电抗值（在振荡频率下）相当；C1,C2为负载电容。

图2为其交流等效电路Y1C1Q2图2基频振荡交流等效电路图1基频振荡电路5.2.1.2基频振荡电路负载电容石英晶体谐振器的负载电容为从其两个端子看向振荡回路的所有电容值，如图3oCfb基频振荡电路等效负载电容计算公式如下:c _G^+gq + c2 sC1,C2为晶体外加负载电容，Cs为杂散电容(stray capacitance),可写为：Cs = Ge + CpcB其中Gc为驱动芯片电容，包括输入脚对地的电容Cin,输出对地的电容Cout,反馈电容Cfbo Cpcb为走线，PAD,引脚之间的杂散电容Cpcb与PCB的走线长度，铜箔厚度等有关；晶振的PCB走线应尽量短，不能有过孔，防止产生额外的杂散电容 Cjb某些芯片datasheet会给出电容Gc值一般情况，Cs可以近似取3〜5pF要求计算得到的负载电容约等于晶振的标称负载电容基频振荡时，要求选择适当的C1,C2电容值，满足三点式电容振荡电路的要求以及晶振的标称负载电容值，以输出所需的谐振频率2.2.2泛音振荡5.2.2.1泛音振荡电路晶体工作在泛音振荡状态时，泛音频率是基频的奇数倍，参考附录7.3泛音振荡电路如图4,图中R1为驱动限流电阻；C3为隔直、耦合电容，容值较大，例如lOOOpF；L1,C1为泛音振动的选频电路，例如当晶体为三阶泛音振荡时，要求该L,C调谐频率为一阶至三阶泛音振荡的频率之间，且在该目标频段LC网络的电抗特性为容性，以满足电容三点式振荡电路的电抗特性要求。

交流等效电路如图5所示图5泛音振荡交流等效电路图4泛音振荡电路在泛音振荡时，为抑制基频振荡的振幅，要求在其基频范围内，L,C网络呈感性，使得振荡电路不满足三点式振荡电路的电抗特性要求，即不满足起振条件，不能输出基频振荡频率以容抗方式表示该L,C网络的电抗如下：1 ・了 * JCDLXlc = gc = ——+ jco C-JgC I此式为以电容的电抗方式表达的谐振回路等效阻抗，要求该LC谐振电路在泛音振荡频率内呈电容性，而在基频以下的频段呈感性，以满足三点式电容振荡电路要求，即：f=fl（基频）时，该谐振网络呈感性，即（C-- ）＜0f=f3（三次泛音），该谐振网络呈容性，即（C — - ）＞0co L由该函数可知，随频率的增加，谐振回路的等效电容电抗单调增加，由于在谐振频率时，等效电抗等于0时，即只要要求其谐振频率落在基频到三阶泛音频率之间，即可满足在基频时谐振回路为感性例如，对于64M晶振，其工作状态为三阶泛音振动，基频为21.333MHz,要求L,C调谐频率为一阶泛音频率至三阶泛音频率之间，若Cl=27pF, Ll=330nH,由下式可计算得到LC谐振频率为：fo=—— 533MHz该谐振频率落在一阶至三阶泛音频率之间。

在频率低于53.3MHz时，谐振回路呈感性，可抑制仁21.333MHz的基频振荡；而在频率高于53.3MHz时，谐振回路呈容性,满足振荡电路要求可据此来确定该L,C网络中的具体参数5.2.2.2泛音振荡负载电容泛音振荡时，L,C谐振回路在泛音频段体现为容性，将其等效为电容Ceq,如图6,其等效容值为：G = G_4-co Lx泛音振荡负载电容由下式表示:c GcL=-^+cpcb + cIC计算方式与基频振荡的负载电容计算相类似要求计算得到的负载电容约等于晶振的标称负载电容图6泛音振荡等效负载电容2.3 石英晶体振荡电路的频率稳定性石英晶体本身的频率容差，负载特性，温度稳定性，以及老化特性等都影响石英晶体振荡电路的频率稳定性频率容差(frequency tolerance)为在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(25±2，C)以及其他条件保持不变，晶体振荡器的频率相对于其规定标称值的最大允许偏差，即(fmax- fmin)/f°,频率容差为晶体振荡器规格的重要参数，一般以ppm为单位电路设计中，要求晶振的频率容差小于电路中可允许的频率容差负载特性为其他条件保持不变，负载在规定变化范围内变化，晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。

频率随负载电容的变化率可由下式表示：h = r=L]V G + c°+g上式可以近似简化为：fL = f^+2(C0 + CL)_其中，fq为晶振串联谐振频率，Ci为晶振等效串联电容，参考附录7.1； Cl为负载电容大小可以通过适当调整负载电容的大小来调整晶振电路的频偏3 引用文件和记录表式无4 附录7.1晶体谐振器的电气特性晶体等效电路如图7：coR1 L1 C1■/\/、/、 |图7晶振等效电路其中，R1：等效串连电阻L：晶振等效电感C：等效电容Co：晶振静态电容，为晶体电极，壳体引起的伴生电容晶体谐振器的电抗特性曲线如图8：fq为串联谐振频率，fp为并联谐振频率当频率较低时，晶振两条之路均呈容性，随着频率的增加，容抗减小；当仁fq时，L,C回路串联谐振，fqvfvfp,电路呈感性，Xq为正值；当£=£臼时，产生并联谐振，Xq区域无穷大；当f>fp时，CO起主要作用，呈容性，Xq为负值石英晶体只在fq

石英晶体的串联谐振频率为：并联谐振频率为:fp =由于石英晶体的等效电容很小，而等效电感很大，其谐振频率fq,fp相差非常小,fq^fp7.2振荡条件7.2.1振荡电路的组成：放大环节：放大电路正反馈网络：供给维持振荡的能量选频网络（石英晶体）：选出振荡器产生维持振荡所需要的信号频率稳幅环节：产生稳定的信号输出，条件负反馈7.2.2三点式振荡电路电容三点式LC振荡电路如图9,所示，按照三点式振荡电路的要求，晶体管发射极所接的两个电抗元件的性质相同，不与发射极相接的电抗元件性质与前者相反常见的并联型晶体振荡电路如下图，成为皮尔斯电路，如图Wo, —01| | C2| | . I 一£1| | £2| | 1 1U | 图9电容三点式LC振荡电路 图10晶体皮尔斯振荡电路并联型晶体振荡电路的原理与三点式振荡器相同，为满足三点式电路的振荡要求，要求晶振谐振器在谐振频段呈电感性7.3晶体泛音特性泛音振荡为晶体工作在其泛音频率状态，泛音频率是基频的奇数倍，一般情况下，采用其三阶或是五阶泛音振荡当要求的振荡频率较高时，例如48M以上的频率，常采用泛音振荡晶体谐振器的基频和泛音范围的电抗特性如图11：图11晶体谐振器基频与泛音的电抗特性7.4晶体谐振电路的负阻抗特性负性阻抗是指从石英晶体谐振器的二个端子往振荡回路看过去，在振荡频率时的阻抗特性值。

振荡回路上必需提供足够的放大增益值来补偿石英谐振器在共振时的机械能损失负性阻抗并不是晶体谐振器的产品参数，却是振荡电路的一项重要特性参数负性阻抗是用来评价振荡回路质量(Q)的一个重要参数，在某些情形下(例如老化，温度变化，电压变化等)，若振荡回路不够好，可能不振荡IC负性阻抗(Negative resistance，-R )测量方式如下，参考图12：图12晶体谐振电路负性阻抗测试方法(1) 串联一电阻(R)至crystal端点；(2) 调整R值，使crystal由起振至停止振荡；(3) 当回路由起振至停止振荡时，测量Rt值；(4) 得到负性阻抗值I-R|=Rl+Rt，其中，Rl=R『(1+Co/Cl)2, 为晶振等效串联电阻一般情况，为保证振荡回路的质量，要求|-R|>3~5倍ESR(max)。