晶振決定數(shù)字電路的生與死

晶振，在板子上看上去一個(gè)不起眼的小器件，但是在數(shù)字電路里，就像是整個(gè)電路的心臟。數(shù)字電路的所有工作都離不開時(shí)鐘，晶振的好壞，晶振電路設(shè)計(jì)的好壞，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以更多的了解晶振，選擇好系統(tǒng)使用的晶振，對(duì)數(shù)字電路來說是決定成敗的第一步。

我們目前常說的晶振都是石英晶體振蕩器或者石英晶體諧振器的簡稱。他們都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。在石英晶體的兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形，反之，如果在晶體兩側(cè)施加機(jī)械壓力就會(huì)在晶體上產(chǎn)生電場(chǎng)。并且，這兩種現(xiàn)象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側(cè)施加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。這種震動(dòng)和電場(chǎng)一般都很小，但是在某個(gè)特定頻率下，振幅會(huì)明顯加大，這就是壓電諧振，和我們常見到的LC回路諧振有些類似。

下圖是晶振的電氣等效電路和電抗頻率特性曲線圖：

從圖中可以看出，當(dāng)LCR這個(gè)支路發(fā)生串聯(lián)諧振的時(shí)候，其串聯(lián)諧振頻率為fs，其計(jì)算公式和普通的串聯(lián)諧振計(jì)算公式一樣：

當(dāng)頻率繼續(xù)提高，高于fs時(shí)，LCR支路呈感性，這樣和C0產(chǎn)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振頻率fp，其計(jì)算公式為：

其中由于晶振的特性，C遠(yuǎn)小于C0，所以fp和fs的值非常接近。通過電抗頻率特性曲線圖可以看出來，在這個(gè)狹窄的頻率范圍內(nèi)，晶振整體表現(xiàn)出感性，這樣只需要在晶振外部并聯(lián)合適的電容，就可以組成并聯(lián)諧振電路。然后把這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路。這個(gè)合適的電容就是晶振的負(fù)載電容。

上圖就是一個(gè)常見的晶振振蕩電路，晶振和C1、C2組成并聯(lián)諧振回路，接到芯片的管腳上，芯片內(nèi)部的反相放大器和Rf組成負(fù)反饋回路，R1用來限制流入晶振的電流。有些芯片會(huì)把Rf和R1集成到器件中，這樣就降低了電路設(shè)計(jì)的難度。，并且保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。晶振的重要參數(shù)就是負(fù)載電容，選擇與負(fù)載電容相等的電容并聯(lián)，能保證晶振工作在額定頻率。假如晶振的負(fù)載電容是15pf，那么C1、C2我們可以選擇30pf，考慮到芯片管腳電容和PCB走線電容的影響，這個(gè)取值也可以適當(dāng)減小，27pf，22pf一般也能正常工作。在滿足起震要求的情況下，C1、C2可以選擇的盡量小，這樣可以加快晶振的起震時(shí)間。需要注意的是，有些晶振廠商會(huì)直接提供C1、C2的推薦值，而不是給出負(fù)載電容，所以在實(shí)際使用的時(shí)候還是要根據(jù)使用的具體型號(hào)去和廠家確認(rèn)。

晶振除了壓電效應(yīng)以外，還有一個(gè)不能被忽略的特性，就是溫漂。晶振的振蕩頻率會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化發(fā)生微小的偏移，這是晶振固有的特性。正是由于溫漂的存在，普通晶振的精度很難做的很高，常見的晶振精度多為40ppm，20ppm，很難做到10ppm以下。這種精度在一些對(duì)晶振精度要求不高的場(chǎng)合，如微處理器的時(shí)鐘輸入等，完全能夠滿足需求。但是在無線通信，蜂窩應(yīng)用，廣播電視等應(yīng)用領(lǐng)域，需要時(shí)鐘精確同步，普通晶振就很難滿足系統(tǒng)需求了。為了解決溫漂帶來的影響，系統(tǒng)就要選擇精度更高的溫補(bǔ)晶振或者恒溫晶振。溫補(bǔ)晶振是通過感應(yīng)環(huán)境溫度，然后將溫度信息轉(zhuǎn)換成控制量控制晶振的輸出頻率。現(xiàn)在的溫補(bǔ)晶振多采用數(shù)字化技術(shù)，能夠達(dá)到更精確的控制。而恒溫晶振更進(jìn)一步，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，使恒溫槽保持一個(gè)恒溫的狀態(tài)，晶體在恒溫槽內(nèi)就可以不受外界溫度的影響，大大提高晶振輸出頻率的穩(wěn)定度。溫補(bǔ)晶振和恒溫晶振的輸出精度都能夠達(dá)到1ppm甚至更高。能夠滿足嚴(yán)苛的系統(tǒng)需求。

由于晶振在數(shù)字電路中的重要性，在使用和設(shè)計(jì)的時(shí)候我們需要小心處理：
a. 晶振內(nèi)部存在石英晶體，所以在受到外部撞擊或者跌落的時(shí)候容易造成石英晶體斷裂破損造成晶振失效。在設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮晶振的可靠安裝以及位置盡量不要靠近板邊，設(shè)備外殼等等。

b. 在手工焊接或者機(jī)器焊接的時(shí)候要注意焊接溫度，晶振對(duì)溫度比較敏感，焊接時(shí)溫度不能過高，并且加熱時(shí)間盡量短。
c. 設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量縮短晶振部分的走線，晶振走線和其他信號(hào)線之間保留盡量遠(yuǎn)的距離，并且推薦將晶振的外殼接地，這些措施都能更好的避免干擾。
d. 謹(jǐn)慎選擇C1、C2的容值。盡量按照廠家提供的推薦值設(shè)計(jì)。在滿足起震要求的前提下，C1、C2的取值可以盡量小，能縮短晶振起震時(shí)間。

e. 注意晶振是否被過驅(qū)動(dòng)，過驅(qū)動(dòng)會(huì)影響晶振使用壽命。如果用示波器測(cè)試發(fā)現(xiàn)晶振的輸出被削波，波峰波谷被削平，那么就要考慮晶振是否被過驅(qū)動(dòng)。可以適當(dāng)調(diào)整R1限流電阻的阻值。直到輸出完整的正弦波。

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