晶振的构造及工作原理

咱搞硬件的，应该都使用过晶振，上次写开关电源环路的零极点的时候，忽然想到晶振是自己起振的，如果从环路的角度看，应该就是利用的环路不稳定的特性，产生自激振荡。

除此之外，我又想到下面这些问题：

那么我们使用晶体的时候，电路的环路的传递函数是怎么样的呢？

为什么只有晶振的固有频率能振荡起来？

为什么改变匹配电容，就能改变频偏？

为什么晶振电路有的要串电阻，有的没有？有的要并联1M电阻，有的没有？

既然有了兴致，那就借这个机会把晶振的内容好好梳理一下，先从基础开始吧。

晶振分类

首先，晶振一般分为两种，一种叫有源晶振，一种叫无源晶振。

有源晶振也叫晶体振荡器，Oscillator；无源晶振有时也叫无源晶体，Crystal，晶体谐振器。至于哪个名字更专业，更准确，我觉得无需争论，名字只是代号而已，大家工作中沟通能知道说的是什么就行。

简单说有源晶振自己供上电就能输出振荡信号，无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。

以上分类是从使用上面来说的。如果我们单看晶振的内部构造，就会发现，有源晶振内部是包含了一个无源晶振，然后再将阻容，放大等电路也包含进去，整体封装好再给我们用。

关于晶体内部结构，我在B站上看到一个非常清晰的拆解视频，有兴趣可以看看，链接是这个：

https://www.bilibili.com/video/BV1D5411L7aG

有源晶振内部构造包含了无源晶振，所以，一般来说，有源晶振是比无源晶振是要贵的。另外一方面，我们只要了解了无源晶振的特性，有源晶振也就差不多了，毕竟，有源晶振可以看成是无源晶振做成的一个具体电路，供上电，就能输出振荡信号了。

所以，下面我们就只看无源晶振（晶体谐振器）

晶体谐振器构造

首先，晶体谐振器里面的晶体，是指的石英晶体，化学式是二氧化硅SiO2。石英的特点是：热膨胀系数小，Q值高，绝缘。

石英可以做成晶体谐振器，主要是利用了压电效应。压电效应分为正压电效应和逆压电效应，以下是百度百科的定义：

意思对应下图：

晶体的构造示意图：

上图左边是晶体构造的示意图，右边是我们常见的晶振的符号，二者是不是很像？

根据对前面压电效应的理解，晶体可以将电能转化为机械能，然后机械能又能转化为电能。如果给晶体通上交流电，那不就是一会收缩，一会儿膨胀，这不就是机械振动吗？

我们知道，机械振动的物理尺寸和结构固定之后，它本身一般就有一个固有的振动频率。当外加信号的频率与固有振动频率相等时，就会发生共振，产生谐振现象。

显然，晶振的频率，说的就应该是这个固有振荡频率。再从无源晶体也叫“晶体谐振器”，这个“谐振”，应该就是这个意思吧。

除此之外，既然工作原理是机械振动，那么性能自然跟晶体的尺寸和结构非常大的关系。这个我也查了一下，确实如此

晶振频率与切片厚度，切割工艺的关系

切割工艺，就是对晶体坐标轴某种角度去切割。切型有非常多的种类，因为石英是各向异性的，所以不同的切型其物理性质不同，切面的方向与主轴的夹角对其性能有非常重要的影响，比如：频率稳定性，Q值，温度性能等等。

常见的切割类型有两种，AT和BT切。

同种频率的晶振，AT切比BT切的温度系数要小，切片厚度要薄，但是Q值比BT切要低。下面是晶体频率同切片厚度，切割类型的关系：

晶振手册中，也会给出切割类型，不知道兄弟们有没有关注这个参数呢？

特殊的晶振---32.768Khz

从上面看出，AT切的20Mhz晶振的切片很薄，只有0.083mm，但是频率降低到32.768Khz，如果还是AT切的话，厚度就是0.083mm*20Mhz/32.768Khz=50.66mm。显然，这个尺寸太大了。

我们现实中看到的32.768khz的晶振显然是没有这么大的，所以可以肯定的是，32.768Khz的晶振肯定不是AT或是BT切，应该是别的方式。

32.768Khz一般是音叉的结构，就是下面这种：

我想，可能就是因为常规的AT，BT切片方式做不了低频的晶振（尺寸太大），所以这种32.768Khz这样的采用这种音叉结构。

这让我想起当年一开始使用32.768Khz晶振的时候，被迫选了个MC-146封装的，当时还觉得奇怪：别的晶振都能做成3225这种封装的，就你搞特殊，封装长这么奇怪。

小结

本节内容先写这么多吧，主要是查阅资料，总结了下晶振构造相关的，对于硬件设计来说，用处不是特别大，不过了解下也没坏处。

至于开篇提的几个问题，本节是一个问题也没回答，也不着急，后面总会说清楚的，我希望是慢慢从0开始，构建属于自己的知识体系，这样无论遇到什么问题，见过的，没见过的，总能有分析问题的思路。

公众号：硬件工程师炼成之路

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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