晶振外接电容的选择与计算

在设计嵌入式单片机时，通常会使用到晶振，有源晶振使用起来比较简单，供电后就能工作。无源晶振稍微复杂一些，需要负载电容。那么什么是负载电容呢？它的容值是如何选择的？本次我们一起来探究下。

负载电容是指晶振要正常震荡所需要的电容。换句话说，晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的，能最大限度的保证频率值的误差，也能保证温漂等误差。

晶振的负载电容值是已知数，在出厂的时候已经定下来。单片机晶振上两个电容是晶振的外接电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十pf。在选择外接电容的时候是根据晶振厂家提供的晶振要求选值的，一般外接电容是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容。然后根据确定的负载电容推算，外接电容会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。

那么，如何来选择外接电容？

晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C

Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容。

Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。

Cd,Cg两个电容的取值都是相同的，或者说相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。

从上面公式可以看出，在Cic和△C较小被忽略时

晶振的负载电容=Cd/2

由上面的公式可以看出，晶振两端所接电容通常是所要求的负载电容的两倍。比如负载电容15pf的话，两边个接27pf的差不多了。

需要注意的是：在许可范围内，C1,C2值越低越好。C值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。在低功耗设计中晶体的选择非常重要，尤其带有睡眠唤醒的系统，往往使用低电压以求低功耗。

由于低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。

在振荡回路中，晶体既不能过激励(容易振到高次谐波上)也不能欠激励(不容易起振)。晶体的选择应考虑以下几个要素：谐振频点、负载电容、激励功率、温度特性、长期稳定性。

有的晶振推荐电路甚至需要串联电阻RS，它一般用来来防止晶振被过分驱动。过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升，造成频率偏移，加速老化。

在实际电路中，也可以通过示波器观察振荡波形来判断振荡器是否工作在最佳状态。工作良好的振荡波形应该是一个漂亮的正弦波，峰峰值应该大于电源电压的70%。若峰峰值小于70%，可适当减小外接电容。反之，若峰峰值接近电源电压且振荡波形发生畸变，则可适当增加电容。

如果正弦波形的波峰，波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动。判断电阻RS值大小的最简单的方法就是串联一个5k或10k的微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值。

选择晶振合适的外接电容很重要。你学会如何计算了没有？

晶体电路为什么外接电阻？

石英晶体谐振器（无源晶振）由于自身无法输出频率，从而需要搭配外部放大电路输出频率。

在并联型振荡器电路中，晶体X1两端的引脚和单片机内部的反相器(Amp)相连，再匹配电容C1和C2，以及电路Rf和Rd组成皮尔斯振荡器（Pierce Oscillator），见下图。

并联电阻Rf

芯片Xin和Xout内部一般是施密特反相器，反相器不能驱动晶体振荡，需要并联一个电阻，即Rf。电阻完成输出信号反向180度反馈到输入端进行负反馈，构成负反馈放大电路（Amp）。

KHz晶振电路Rf为10MΩ左右；MHz晶振电路Rf为1MΩ左右。如果没有加Rf，晶振电路也可能会起振，但存在不起振或者停振的隐患。

串联电阻Rd

晶振过分驱动会使频率上升，导致晶振早期失效。Rd用来调整激励电平（Drive Level）。Rd具体大小需要根据驱动程度进行调整。

小结

并联电阻Rf：

1.配合IC内部形成负反馈；

2.防止晶体被过分驱动；

3.降低谐振阻抗，容易启动；

4.电阻影响波形的脉宽。

串联电阻Rd：

1. 降低激励功率防止损坏；

2. 限制振荡幅度。

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