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。

晶振到底有多重要？大牛带你看晶振参数

认识晶振的重要性

晶振，全称晶体振荡器，它能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须要的时钟频率信号，CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的，时钟信号频率越高，通常CPU的运行速度也就越快。 凡是包含CPU的电子产品，其中至少含有一个时钟源，哪怕我们在电路板中看不到实际的振荡电路，那也是晶振在芯片内部被集成，往往被人们称之为电路系统的心脏。一旦心脏停止跳动，整块电路板可能出现瘫痪的状况。因此晶振的质量问题是很多厂商放在第一位的最终抉择的考虑基础!所以很多客户对日系晶振有了十足的信任感，近年来台系的TXC晶振在国内厂商也有了较高的重视度。

晶振质量的好坏由什么决定了?有人会说从外观的崭新程度分辨，或者是外包装，又或者产品印字标识。这一切真的能有助于我们分辨晶振的好坏吗?广瑞泰知道像晶振这样的电子元器件拿在手上我们是无法判断其好坏程度的，通常晶振人所指的坏即是在电路工作中晶振不起振，或者时而稳定时而不稳定的现象!那么这一切现象终究是归根于质量问题还是晶振参数?

晶振有几个重要参数：

1.晶体元件规格书中所指定的频率，也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数。晶振常用标称频率在1～200MHz之间，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等，更高的输出频率也常用PLL(锁相环)将低频进行倍频至1GHz以上。我们称之为标称频率。

2.输出信号的频率不可避免会有一定的偏差，我们用频率误差(Frequency Tolerance)或频率稳定度(Frequency Stability)，用单位ppm来表示，即百万分之一(parts per million)(1/106)，是相对标称频率的变化量，此值越小表示精度越高。比如，12MHz晶振偏差为±20ppm，表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz，即频率范围是(11999760～12000240Hz)

3.还有一个温度频差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离，它的单位也是ppm。

4.另外，负载电容CL(Load capacitance)，它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容(不是晶振外接的匹配电容)，主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻，与晶体一起决定振荡器电路的工作频率，通过调整负载电容，就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。更准确而言，无源晶体的负载电容是一项非常重要的参数，因为无源晶体属于被动元器件，所谓的被动元器件即是自身不能工作，需要外部元器件协助工作，无源晶体即是：

其中：

CS为晶体两个管脚之间的寄生电容(又名晶振静态电容或Shunt Capacitance)，在晶体的规格书上可以找到具体值，一般0.2pF~8pF不等。如图二是某32.768KHz的电气参数，其寄生电容典型值是0.85pF(在表格中采用的是Co)。

CG指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容，其容值为以下三个部分的和。

● 需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容 Ci

● 晶体震荡电路PCB走线到到GND的寄生电容CPCB

● 电路上外增加的并联到GND的外匹配电容 CL1

CD指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容。容值为以下三个部分的和。

● 需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容, Co

● 晶体震荡电路PCB走线到到gnd的寄生电容，CPCB

● 电路上外增加的并联到GND的外匹配电容, CL2

既然晶振的负载电容是一个非常重要的参数，如果此项参数与外部电容匹配不正确会导致什么样的现象?晶振两端的等效电容与晶振标称的负载电容匹配不正确，晶振输出的谐振频率将与标称工作的工作频率会产生一定偏差(又称之为频偏)，负载电容(load capacitance)主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻，它与石英谐振器一起决定振荡器的工作频率，通过调整负载电容，一般可以将振荡器的工作频率调到标称值。应用时我们一般外接电容，便是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容，对于要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容，这样便可以使得晶振工作的频率达到标称频率。所以合理匹配合适的外加电容使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容显得十分重要。

负载电容常用的标准值有12.5 pF，16 pF，20 pF，30pF,负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的，负载电容变小时，频率偏差量变大;负载电容提高时，频率偏差减小。图3是一个晶体的负载电容和频率的误差的关系图。

例外情况：

现在有很多芯片内部已经增加了补偿电容(internal capacitance)，所以在设计的时候，只需要选按照芯片datasheet推荐的负载电容值的选择晶体即可，不需要额外再加电容。但是因为实际设计的寄生电路的不确定性，最好还是预留CL1/CL2的位置。

（21ic整理自网络）

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