晶振電路
來源：http://www.thefootshop.cn 作者：dgkjly 2012年05月24
晶振其實它有很多名字，晶振包含了石英晶振系列的簡稱，你可以稱呼它為石英晶振，石英晶體諧振器，石英晶體振蕩器，壓電晶體等等。每種晶振使用都有著不同之處，普通石英晶振，通常都是使用在一般的電器產(chǎn)品上，如電腦周邊的電子數(shù)碼產(chǎn)品，基本上都需要使用石英晶振，陶瓷晶振，32.768K表晶系列，就好比千赫晶體，32.768K通常是在電腦周邊產(chǎn)品起到時鐘控制作用，但是每一款石英晶振外面都需要串聯(lián)電阻及并列電容相匹配作用，使晶振發(fā)揮最大的頻率穩(wěn)定作用。是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個產(chǎn)品有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個壓控振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。 
一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來，所以“無源晶振”這個說法并不準(zhǔn)確；有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。諧振振蕩器包括石英（或其晶體材料）晶體諧振器，陶瓷諧振器，LC諧振器等。晶振與諧振振蕩器有其共同的交集有源晶體諧振器。 石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)，從物理學(xué)中知道，若在晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機(jī)械變形振動，同時機(jī)械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說，這種機(jī)械振動的振幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時，機(jī)械振動的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。 其特點是頻率穩(wěn)定度很高。 .jpg)
石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置IC來共同作用來工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時一般需要提供3.3V電壓來維持工作。振蕩器比諧振器多了一個重要技術(shù)參數(shù)為：諧振電阻（RR），諧振器沒有電阻要求。RR的大小直接影響電路的性能，也是各商家競爭的一個重要參數(shù)。 概述微控制器的時鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時鐘源，如：RC (電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)龋o出了兩種時鐘源。給出了兩個分立的振蕩器電路，其中圖1a為皮爾斯振蕩器配置，用于機(jī)械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖1b為簡單的RC反饋振蕩器。 圖1. 簡單時鐘源：(a) 皮爾斯振蕩器 (b) RC反饋振蕩器 機(jī)械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別基于晶振與陶瓷諧振槽路(機(jī)械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對而言，RC振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。圖1所示的電路能產(chǎn)生可靠的時鐘信號，但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動時很容易產(chǎn)生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾(EMI)、機(jī)械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會造成振蕩器停振。 振蕩器模塊 上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?功耗選擇振蕩器時還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。 相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA至60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻(固定)器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時只需不到2mA的電流。 結(jié)論在特定的微控制器應(yīng)用中，選擇最佳的時鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。帝國科技在追求卓越發(fā)展的同時，愿跟各行業(yè)共探討元器件生產(chǎn)技術(shù)，和到應(yīng)用知識，公司生產(chǎn)，石英晶振，陶瓷晶振，聲表面濾波器，聲表面諧振器，陶瓷霧化片系列產(chǎn)品。帝國科技擁有自己的工業(yè)園及萬極高科技現(xiàn)代化生產(chǎn)車間，歡迎各界人士參觀指導(dǎo)。.jpg)
一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來，所以“無源晶振”這個說法并不準(zhǔn)確；有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。諧振振蕩器包括石英（或其晶體材料）晶體諧振器，陶瓷諧振器，LC諧振器等。晶振與諧振振蕩器有其共同的交集有源晶體諧振器。 石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)，從物理學(xué)中知道，若在晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機(jī)械變形振動，同時機(jī)械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說，這種機(jī)械振動的振幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時，機(jī)械振動的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。 其特點是頻率穩(wěn)定度很高。 石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置IC來共同作用來工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時一般需要提供3.3V電壓來維持工作。振蕩器比諧振器多了一個重要技術(shù)參數(shù)為：諧振電阻（RR），諧振器沒有電阻要求。RR的大小直接影響電路的性能，也是各商家競爭的一個重要參數(shù)。 概述微控制器的時鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時鐘源，如：RC (電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)龋o出了兩種時鐘源。給出了兩個分立的振蕩器電路，其中圖1a為皮爾斯振蕩器配置，用于機(jī)械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖1b為簡單的RC反饋振蕩器。 圖1. 簡單時鐘源：(a) 皮爾斯振蕩器 (b) RC反饋振蕩器 機(jī)械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別基于晶振與陶瓷諧振槽路(機(jī)械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對而言，RC振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。圖1所示的電路能產(chǎn)生可靠的時鐘信號，但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動時很容易產(chǎn)生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾(EMI)、機(jī)械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會造成振蕩器停振。 振蕩器模塊 上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?功耗選擇振蕩器時還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。 相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA至60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻(固定)器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時只需不到2mA的電流。 結(jié)論在特定的微控制器應(yīng)用中，選擇最佳的時鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。帝國科技在追求卓越發(fā)展的同時，愿跟各行業(yè)共探討元器件生產(chǎn)技術(shù)，和到應(yīng)用知識，公司生產(chǎn)，石英晶振，陶瓷晶振，聲表面濾波器，聲表面諧振器，陶瓷霧化片系列產(chǎn)品。帝國科技擁有自己的工業(yè)園及萬極高科技現(xiàn)代化生產(chǎn)車間，歡迎各界人士參觀指導(dǎo)。
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