晶振工作原理 + 晶振ppm，不知道你就落后了

你知道什么是晶振吗?你知道晶振ppm代表什么意思吗?你知道晶振的主要参数以及工作原理吗?如果你对这些问题存在一定疑惑，不妨看看本文带来的有关晶振这四方面的内容，让本文帮你一次性扫清这些个障碍吧。

晶振全称是晶体振荡器，是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片)，石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

电子元件是电路设计中一个很关键的所在，电路的精准直接关乎使用这颗晶振的产品的质量问题，但是最重要的体现在于一个小参数那就是晶振的ppm值，即精度电容值。精度值越低表明这颗电子元件越精度越精确，使用起来越耐用和反应出来的效果就越好。那么，你知道晶振电路中的ppm吗?ppm这个小参数，是如何产生大作用的。

二、晶振ppm误差公式

1：120ppm，27M的晶振，频率的误差 = 120/100万*27M=3240Hz

晶振的精度决定时钟的计时准确度。

2： 所配晶振频率：32772.2HZ，误差为+1.2ppm

一年的误差计算过程为：

Δf = +1.2/100万*32772.2

Δt/秒= Δf/32772.2 = 1.2/100万

一年的误差 = Δt*24*3600*365 = 37.8秒

三、晶振的主要参数

晶振的主要参数有标称频率、老化率、频率准确度、频率稳定度、相位噪声、功耗等。

1、标称频率：是指晶振的标称输出频率;

2、频率准确度：是指常温(25度)下，所测晶振频率相对标称频率的差值。这一点是不太重要的;

3、频率稳定度：一般是指频率温度稳定度，是指在晶振的工作温度范围内频率随着温度变化的大小，一般用PPM或PPB来标示，1PPB=0.001PPM=1*10-9;

4、老化率：随着时间的推移，频率值随着变化的大小;

5、相位噪声：信号功率与噪声功率的比率(C/N)，是表征频率颤抖的技术指标。一般来说雷达等设备会对相位噪声有特殊要求;

6、晶体还有一个重要的特性就是“RR等效阻抗”，晶振长出现停振现象。经分析均为晶片阻值大于80欧姆。

四、晶振工作原理

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十豪亨到几百豪亨。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100欧。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

计算机都有个计时电路，尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备，但它们实际上并不是通常意义的时钟，把它们称为计时器可能更恰当一点。计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体，石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡，这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个计数器和一个保持寄存器。石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时，产生一个中断，计数器从保持寄存器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程，令其每秒产生60次中断(或者以任何其它希望的频率产生中断)成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒。

晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15皮或12.5皮，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22皮的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

晶振详解「工作原理、结构、特点、应用」

　1、晶振的简介

晶振，也称为振荡器。英文名为oscillator，通常有四个管脚和方向，它有功率、质量和时钟输出引脚，里面有晶体和振荡电路。无需输入信号源，可直接生成频率，频率在出厂时校准。特点：使用方便，频率稳定，电磁辐射小。石英晶体振荡器简称晶体振荡器。它通常是由石英晶体元件、集成电路、电阻电容和外壳组成的有源功能元件。当打开时，它可以输出稳定的频率信号。

基本结构：

晶体的基本构成如图1所示，在石英晶体上按一定方向切下薄片，在晶体片两个边缘处涂上一层银，用作是其电极，分别在两个电极上接上引线到管脚处，再加上封装外壳，就构成了石英晶体谐振器。

图1 晶振结构图

图2 晶振外形图（无源）

图2 晶振外形图（有源）

2、工作原理：

晶振的核心是石英晶体，这种晶体有一个很重要的特性，如果给它施加交变电压，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械振动，它又会产生交变电压，这种特性叫机电效应。在一般情况下石英晶体机械振动的振幅和产生交变电压的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，其振幅会明显变大，类似于LC电路的谐振现象，如图所示，fp>fs，只要输入信号的频率等于晶振的谐振频率，利用晶振组成的振荡电路就处于共振状态，其振荡频率由晶振决定。其石英晶体有一个很重要的特点，其振荡频率基本上只与晶片的形状、材料、切割方向等密切相关。

图3 晶振电路图和特性曲线图

它们的工作原理是机转电、电转机的原理。由电感、电容组成的谐振电路是磁场和电场的一直转换。这就是我们通常所说的电磁感应；事实上，它在电路中的应用是把它看成是一个高Q值的电磁谐振电路。因为石英晶体的损耗非常小，也就是说，Q值非常高。作为振荡器，它可以产生非常稳定的振荡。当用作滤波器时，它可以得到非常稳定和陡峭的带通曲线或带阻曲线。

通常采用晶振的电路，如图4（a）的考毕兹交流等效振荡电路；如图4（b）中是晶振交流的等效电路，电容Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。

图4

根据分析，Cv改变频率是有限的：当电路中电容为Cbe、Cce、Cv三个电容串联和Co并联再和C1串联，可决定振荡的频率。可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个电路电容的作用就越小。因此，可“电压控制”的频率范围越小。实际上，由于C1很小（1E-15量级），Co不能忽略（1E-12量级，几PF）。所以，随着Cv的增加，降低信道频率的效果变得越来越小。随着Cv的减小，增加通道频率的影响变得越来越大。这一方面是它导致电压控制特性的非线性。电压控制范围越大，非线性越严重；另一方面，分给振荡的反馈电压（Cbe上的电压）却越来越小，最后导致停振。采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。

3、晶振的应用

晶振不仅可用为MCU的时钟，也在其他领域用途广泛，例如：

科尔皮兹晶体振荡器：它用于产生频率非常高的正弦输出信号。该振荡器可以用作不同类型的传感器，例如温度传感器。在Colpitts电路中使用一些器件，可以实现更高的温度稳定性和高频率。

图 5

阿姆斯壮晶体振荡器：该电路在过去的几十年里一直被使用。它们广泛应用于再生无线电接收机中。在该输入中，来自天线的射频信号通过附加绕组磁耦合到振荡电路，并减少反馈以控制反馈回路中的增益。最后，它产生了一个窄带射频滤波器和放大器。在晶体振荡器中，LC谐振电路被反馈回路取代。

图6

皮尔斯晶体振荡器：如下图，在电路中，晶振串联于电路中，晶振的作用决定振荡的频率。在输出和输入之间由ƒs提供低阻抗路径。在共振期间有180度的相移，以使反馈为正。输出正弦波的振幅限制在漏极端子的最大电压范围内。

图7

如表1所示：无源晶振与有源晶振分别的特点与区别。

表1 无源晶振与有源晶振的区别

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