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      晶振的工作原理

      作者: 揚興科技 日期:2021-09-18 瀏覽量:

        一、什么是晶振?


        晶振是石英振蕩器的簡稱,英文名為Crystal,它是時鐘電路中最重要的部件,它的主要作用是向顯卡、網卡、主板等配件的各部分提供基準頻率,它就像個標尺,工作頻率不穩定會造成相關設備工作頻率不穩定,自然容易出現問題(關于什么是晶振詳情可以查看YXC揚興官網《晶振的定義是什么》)。

        

        晶振還有個作用是在電路產生震蕩電流,發出時鐘信號。


        晶振的工作原理是一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態下工作,以提供穩定,精確的單頻振蕩。在通常工作條件下,普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內調整頻率,稱為壓控振蕩器(VCO)。晶振在數字電路的基本作用是提供一個時序控制的標準時刻。數字電路的工作是根據電路設計,在某個時刻專門完成特定的任務,如果沒有一個時序控制的標準時刻,整個數字電路就會成為“聾子”,不知道什么時刻該做什么事情了。


        晶振的作用是為系統提供基本的時鐘信號。通常一個系統共用一個晶振,便于各部分保持同步。有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振,而通過電子調整頻率的方法保持同步。


        晶振通常與鎖相環電路配合使用,以提供系統所需的時鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時鐘信號,可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環來提供。


        電路中,為了得到交流信號,可以用RC、LC諧振電路取得,但這些電路的振蕩頻率并不穩定。在要求得到高穩定頻率的電路中,必須使用石英晶體振蕩電路。石英晶體具有高品質因數,振蕩電路采用了恒溫、穩壓等方式以后,振蕩頻率穩定度可以達到10^(-9)至10^(-11)。廣泛應用在通訊、時鐘、手表、計算機……需要高穩定信號的場合。


        石英晶振不分正負極, 外殼是地線,其兩條不分正負



        二、晶振的使用


        晶振,在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡,電工學上這個網絡有兩個諧振點,以頻率的高低分其中較低 的頻率是串聯諧振,較高的頻率是并聯諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當的接近,在這個極窄的頻率范圍內,晶振等效為一個電感,所以只要晶 振的兩端并聯上合適的電容它就會組成并聯諧振電路。這個并聯諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路,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變化很大,這個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,那就是負載電容值,選擇與負載電容值相等的并聯電容,就可以得到晶振標稱的諧振頻率。


        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,這兩個電容串聯的容量值就應該等于負載電容,請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容,這個不能忽略。


        一般的晶振的負載電容為15p或12.5p ,如果再考慮元件引腳的等效輸入電容,則兩個22p的電容構成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。


        晶振是為電路提供頻率基準的元器件,通常分成有源晶振和無源晶振兩個大類,無源晶振需要芯片內部有振蕩器,并且晶振的信號電壓根據起振電路而定,允許不同的電壓,但無源晶振通常信號質量和精度較差,需要精確匹配外圍電路(電感、電容、電阻等),如需更換晶振時要同時更換外圍的電路。有源晶振不需要芯片的內部振蕩器,可以提供高精度的頻率基準,信號質量也較無源晶振要好。


        每種芯片的手冊上都會提供外部晶振輸入的標準電路,會表明芯片的最高可使用頻率等參數,在設計電路時要掌握。與計算機用CPU不同,單片機現在所能接收的晶振頻率相對較低,但對于一般控制電路來說足夠了。


        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振蕩器。


        石英晶片所以能做振蕩電路(諧振)是基于它的壓電效應,從物理學中知道,若在晶片的兩個極板間加一電場,會使晶體產生機械變形;反之,若在極板間施加機械力,又會在相應的方向上產生電場,這種現象稱為壓電效應。如在極板間所加的是交變電壓,就會產生機械變形振動,同時機械變形振動又會產生交變電場。一般來說,這種機械振動的振幅是比較小的,其振動頻率則是很穩定的。但當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,機械振動的幅度將急劇增加,這種現象稱為壓電諧振,因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。 其特點是頻率穩定度很高。


        石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩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來起振,而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內置IC來共同作用來工作的。振蕩器直接應用于電路中,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參數為: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。





        三、概述


        微控制器的時鐘源可以分為兩類:基于機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,為了提高穩定性,包含有時鐘源、匹配電阻和電容、溫度補償等。


        機械式諧振器與RC振蕩器的主要區別


        基于晶振與陶瓷諧振槽路(機械式)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。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精度較差,會在標稱輸出頻率的5%至50%范圍內變化。圖1所示的電路能產生可靠的時鐘信號,但其性能受環境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認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的負載電容必須根據特定的邏輯系列進行優化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感,但在過驅動時很容易產生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環境因素有:電磁干擾(EMI)、機械震動與沖擊、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,多數情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當的精度。


        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,相當于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負載電容,整個電源電流為2.2mA。


        陶瓷諧振槽路一般具有較大的負載電容,相應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。

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