晶振決定數字電路的生與死
2020-11-27 電子產品世界
晶振，在板子上看上去一個不起眼的小器件，但是在數字電路裡，就像是整個電路的心臟。數字電路的所有工作都離不開時鐘，晶振的好壞，晶振電路設計的好壞，會影響到整個系統的穩定性。所以更多的了解晶振，選擇好系統使用的晶振，對數字電路來說是決定成敗的第一步。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/198204.htm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製作而成。在石英晶體的兩個電極上施加電場會使晶體產生機械變形，反之，如果在晶體兩側施加機械壓力就會在晶體上產生電場。並且，這兩種現象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側施加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時產生交變電場。這種震動和電場一般都很小，但是在某個特定頻率下，振幅會明顯加大，這就是壓電諧振，和我們常見到的LC迴路諧振有些類似。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LCR這個支路發生串聯諧振的時候，其串聯諧振頻率為fs，其計算公式和普通的串聯諧振計算公式一樣： 當頻率繼續提高，高於fs時，LCR支路呈感性，這樣和C0產生並聯諧振，並聯諧振頻率fp，其計算公式為： 其中由於晶振的特性，C遠小於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，在這個狹窄的頻率範圍內，晶振整體表現出感性，這樣只需要在晶振外部並聯合適的電容，就可以組成並聯諧振電路。然後把這個並聯諧振電路加到負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路。這個合適的電容就是晶振的負載電容。
上圖就是一個常見的晶振振蕩電路，晶振和C1、C2組成並聯諧振迴路，接到晶片的管腳上，晶片內部的反相放大器和Rf組成負反饋迴路，R1用來限制流入晶振的電流。有些晶片會把Rf和R1集成到器件中，這樣就降低了電路設計的難度。，並且保證了系統的穩定性。晶振的重要參數就是負載電容，選擇與負載電容相等的電容並聯，能保證晶振工作在額定頻率。假如晶振的負載電容是15pf，那麼C1、C2我們可以選擇30pf，考慮到晶片管腳電容和PCB走線電容的影響，這個取值也可以適當減小，27pf，22pf一般也能正常工作。在滿足起震要求的情況下，C1、C2可以選擇的儘量小，這樣可以加快晶振的起震時間。需要注意的是，有些晶振廠商會直接提供C1、C2的推薦值，而不是給出負載電容，所以在實際使用的時候還是要根據使用的具體型號去和廠家確認。
晶振除了壓電效應以外，還有一個不能被忽略的特性，就是溫漂。晶振的振蕩頻率會隨著環境溫度的變化發生微小的偏移，這是晶振固有的特性。正是由於溫漂的存在，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。這種精度在一些對晶振精度要求不高的場合，如微處理器的時鐘輸入等，完全能夠滿足需求。但是在無線通信，蜂窩應用，廣播電視等應用領域，需要時鐘精確同步，普通晶振就很難滿足系統需求了。為了解決溫漂帶來的影響，系統就要選擇精度更高的溫補晶振或者恆溫晶振。溫補晶振是通過感應環境溫度，然後將溫度信息轉換成控制量控制晶振的輸出頻率。現在的溫補晶振多採用數位化技術，能夠達到更精確的控制。而恆溫晶振更進一步，將晶體置於恆溫槽內，通過設置恆溫工作點，使恆溫槽保持一個恆溫的狀態，晶體在恆溫槽內就可以不受外界溫度的影響，大大提高晶振輸出頻率的穩定度。溫補晶振和恆溫晶振的輸出精度都能夠達到1ppm甚至更高。能夠滿足嚴苛的系統需求。
由於晶振在數字電路中的重要性，在使用和設計的時候我們需要小心處理：
a. 晶振內部存在石英晶體，所以在受到外部撞擊或者跌落的時候容易造成石英晶體斷裂破損造成晶振失效。在設計的時候就要考慮晶振的可靠安裝以及位置儘量不要靠近板邊，設備外殼等等
b. 在手工焊接或者機器焊接的時候要注意焊接溫度，晶振對溫度比較敏感，焊接時溫度不能過高，並且加熱時間儘量短。
c. 設計的時候儘量縮短晶振部分的走線，晶振走線和其他信號線之間保留儘量遠的距離，並且推薦將晶振的外殼接地，這些措施都能更好的避免幹擾。
d. 謹慎選擇C1、C2的容值。儘量按照廠家提供的推薦值設計。在滿足起震要求的前提下，C1、C2的取值可以儘量小，能縮短晶振起震時間。
e. 注意晶振是否被過驅動，過驅動會影響晶振使用壽命。如果用示波器測試發現晶振的輸出被削波，波峰波谷被削平，那麼就要考慮晶振是否被過驅動。可以適當調整R1限流電阻的阻值。直到輸出完整的正弦波。
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