晶体谐振器等效电路，晶体和晶振的区别，负载谐振电阻，负载电容

晶振与晶体的区别

1) 晶振是有源晶振的简称，又叫振荡器。英文名称是oscillator。晶体则是无源晶振的简称，也叫谐振器。英文名称是crystal.

2) 无源晶振（晶体）一般是直插两个脚的无极性元件，需要借助时钟电路才能产生振荡信号。常见的有49U、49S封装。

3) 有源晶振（晶振）一般是表贴四个脚的封装，内部有时钟电路，只需供电便可产生振荡信号。一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式。

2

MEMS硅晶振与石英晶振区别

MEMS硅晶振采用硅为原材料，采用先进的半导体工艺制造而成。因此在高性能与低成本方面，有明显于石英的优势，具体表现在以下方面：

1) 全自动化半导体工艺（芯片级），无气密性问题，永不停振。

2) 内部包含温补电路，无温漂，-40—85℃全温保证。

3) 平均无故障工作时间5亿小时。

4) 抗震性能25倍于石英振荡器。

5) 支持1-800MHZ任一频点，精确致小数点后5位输出。

6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多种工作电压匹配。

7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各种精度匹配。

8) 支持7050、5032、3225、2520所有标准尺寸封装。

9) 标准四脚、六脚封装，无需任何设计改动，直接替代石英振荡器。

10) 支持差分输出、单端输出、压控（VCXO）、温补(TCXO)等产品种类。

11) 300%的市场增长率，三年内有望替代80%以上的石英振荡器市场。

3

晶体谐振器的等效电路

上图是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。其中：C1为动态电容也称等效串联电容；L1为动态电感也称等效串联电感；R1为动态电阻也称等效串联电阻；C0为静态电容也称等效并联电容。

这个等效电路中有两个最有用的零相位频率，其中一个是谐振频率(Fr)，另一个是反谐振频率(Fa)。当晶体元件实际应用于振荡电路中时，它一般还会与一负载电容相联接，共同作用使晶体工作于Fr和Fa之间的某个频率，这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定，通过改变电路的电抗条件，就可以在有限的范围内调节晶体频率。

4

关键参数

4.1 标称频率

指晶体元件规范中所指定的频率，也即用户在电路设计和元件选购时所希望的理想工作频率。

4.2 调整频差

基准温度时，工作频率相对于标称频率的最大允许偏离。常用ppm（1/106）表示。

4.3 温度频差

在整个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。常用ppm（1/106）表示。

4.4 老化率

指在规定条件下，由于时间所引起的频率漂移。这一指标对精密晶体是必要的，但它“没有明确的试验条件，而是由制造商通过对所有产品有计划抽验进行连续监督的，某些晶体元件可能比规定的水平要差，这是允许的”（根据IEC的公告）。老化问题的最好解决方法只能靠制造商和用户之间的密切协商。

4.5 谐振电阻（Rr）

指晶体元件在谐振频率处的等效电阻，当不考虑C0的作用，也近似等于所谓晶体的动态电阻R1或称等效串联电阻(ESR)。这个参数控制着晶体元件的品质因数，还决定所应用电路中的晶体振荡电平，因而影响晶体的稳定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶体元件的一个重要指标参数。

一般的，对于一给定频率，选用的晶体盒越小，ESR的平均值可能就越高；绝大多数情况，在制造过程中并不能预计具体某个晶体元件的电阻值，而只能保证电阻将低于规范中所给的最大值。

4.6 负载谐振电阻（RL）

指晶体元件与规定外部电容相串联，在负载谐振频率FL时的电阻。对一给定晶体元体，其负载谐振电阻值取决于和该元件一起工作的负载电容值，串上负载电容后的谐振电阻，总是大于晶体元件本身的谐振电阻。

4.7 负载电容（CL）

与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容。晶体元件规范中的CL是一个测试条件也是一个使用条件，这个值可在用户具体使用时根据情况作适当调整，来微调FL的实际工作频率（也即晶体的制造公差可调整）。

但它有一个合适值，否则会给振荡电路带来恶化，其值通常采用10pF、15pF 、20pF、30pF、50pF、∝等，其中当CL标为∝时表示其应用在串联谐振型电路中，不要再加负载电容，并且工作频率就是晶体的（串联）谐振频率Fr。

用户应当注意，对于某些晶体（包括不封装的振子应用），在某一生产规范既定的负载电容下（特别是小负载电容时），±0.5pF的电路实际电容的偏差就能产生±10×10-6的频率误差。因此，负载电容是一个非常重要的订货规范指标。

4.8 静态电容（C0）

等效电路静态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积、晶片厚度和晶片加工工艺。

4.9 动态电容（C1）

等效电路中动态臂里的电容。它的大小主要取决于电极面积，另外还和晶片平行度、微调量的大小有关。

4.10 动态电感（L1）

等效电路中动态臂里的电感。动态电感与动态电容是一对相关量。

4.11 谐振频率（Fr）

指在规定条件下，晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个频率。根据等效电路，当不考虑C0的作用，Fr由C1和L1决定，近似等于所谓串联（支路）谐振频率（Fs）。这一频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数。

4.12 负载谐振频率（FL）

指在规定条件下，晶体元件与一负载电容串联或并联，其组合阻抗呈现为电阻性时两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，FL是两个频率中较低的那个频率；在并联负载电容时，FL则是其中较高的那个频率。对于某一给定的负载电容值(CL)，就实际效果，这两个频率是相同的；

而且这一频率是晶体的绝大多数应用时，在电路中所表现的实际频率，也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数。

4.13 品质因数（Q）

品质因数又称机械Q值，它是反映谐振器性能好坏的重要参数，它与L1和C1有如下关系：Q=wL1/R1=1/wR1C1

如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且还会导致频率不稳定。反之Q值越高，频率越稳定。

4.14 激励电平（Level of drive）

是一种用耗散功率表示的，施加于晶体元件的激励条件的量度。所有晶体元件的频率和电阻都在一定程度上随激励电平的变化而变化，这称为激励电平相关性（DLD），因此订货规范中的激励电平须是晶体实际应用电路中的激励电平。

正因为晶体元件固有的激励电平相关性的特性，用户在振荡电路设计和晶体使用时，必须注意和保证不出现激励电平过低而起振不良或过度激励频率异常的现象。

4.15 激励电平相关性（DLD）

由于压电效应，激励电平强迫谐振子产生机械振荡，在这个过程中，加速度功转化为动能和弹性能，功耗转化为热。后者的转换是由于石英谐振子的内部和外部的摩擦所造成的。

摩擦损耗与振动质点的速度有关，当震荡不再是线性的，或当石英振子内部或其表面及安装点的拉伸或应变、位移或加速度达到临界时，摩擦损耗将增加。因而引起频率和电阻的变化。

加工过程中造成DLD不良的主要原因如下，其结果可能是不能起振：

1) 谐振子表面存在微粒污染。主要产生原因为生产环境不洁净或非法接触晶片表面；

2) 谐振子的机械损伤。主要产生原因为研磨过程中产生的划痕。

3) 电极中存在微粒或银球。主要产生原因为真空室不洁净和镀膜速率不合适。

4) 装架是电极接触不良；

5) 支架、电极和石英片之间存在机械应力。

4.16 DLD2(单位：欧姆)

不同激励电平下的负载谐振电阻的最大值与最小值之间的差值。(如：从0.1uw~200uw,总共20步)。

4.17 RLD2(单位：欧姆)

不同激励电平下的负载谐振电阻的平均值<与谐振电阻Rr的值比较接近，但要大一些>。(如：从0.1uw~200uw,总共20步)。

4.18 寄生响应

所有晶体元件除了主响应（需要的频率）之外，还有其它的频率响应。减弱寄生响应的办法是改变晶片的几何尺寸、电极，以及晶片加工工艺，但是同时会改变晶体的动、静态参数。

寄生响应的测量

1) SPDB 用DB表示Fr的幅度与最大寄生幅度的差值；

2) SPUR 在最大寄生处的电阻；

3) SPFR 最小电阻寄生与谐振频率的距离，用Hz或ppm表示。

5

晶体振荡器的分类

5.1 Package石英振荡器（SPXO）

不施以温度控制及温度补偿的石英振荡器。频率温度特性依靠石英振荡晶体本身的稳定性。

5.2 温度补偿石英振荡器（TCXO）

附加温度补偿回路，减少其频率因周围温度变动而变化之石英振荡器。

5.3 电压控制石英振荡器（VCXO）

控制外来的电压，使输出频率能够变化或调变的石英振荡器。

5.4 恒温槽式石英振荡器（OCXO）

以恒温槽保持石英振荡器或石英振荡晶体在一定温度，控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器。

除了以上四种振荡器外，随着PLL、Digital、Memory技术的应用，其他功能的多元化石英振荡器也快速增加。

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？

相关问答

32768k晶振谐振电容多少?

谐振电容的计算公式为:C=1/(4*π^2*f^2*L)其中,C为电容的大小,f为振荡频率,L为电感的大小。假设晶振的频率为32768kHz,代入公式可得:C=1.....

有源晶振不需要匹配电容吗?

有源晶振通常需要匹配电容。匹配电容的作用是调整晶振的谐振频率,使其与系统要求的频率相匹配。匹配电容可以帮助提高晶振的稳定性和减小频率偏差。没有匹配电...

晶振上标有4.0000M同标有4.000有什么区别?

没有区别,只是标识不一样而已,频率都是4M后面多一个零的可能是精度高一些晶振在应用具体起到什么作用微控制器的时钟源可以分为两类:基于机械谐振器件的时钟...

谐振电容用在什么地方?

实时时钟,系统时钟的32.768khz,24mhz晶振电路中。实时时钟,系统时钟的32.768khz,24mhz晶振电路中。

收音机哪个晶振是什么作用-家居装修–手机房天下问答

[回答]1.概念:石英晶体谐振器又称为石英晶体,俗称晶振.是利用石英晶体的压电效应而制成的谐振元件.与半导体器件和阻容元件一起使用,便可构成石英晶体振...

晶振3脚用2引脚晶振怎么代换?

我们平时常见的晶振大多只有二只脚,然而3脚的晶振是一种集晶振和电容为一体的复合元件。由于在集成电路振荡端子外围电路中总是以一个晶振(或其它谐振元件)和...

怎么测量一个晶振的好坏?-151****2199的回答-懂得

1、测晶振是否起振,最好用示波器、频率表,不过用万用表也可简单测量。一般晶振振荡时,用万用表的直流电压档测它的管脚的电压,不同的电路电压有所不...

stm32f103vc晶振电路原理?

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...

mhz晶振的用途?

晶振一般叫做晶体谐振器,是一种机电器件,是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性,如果给他通电,它就会...

激光雷达为什么需要500M晶振?

在了解晶振的分类和常见型号之前,我们得知道什么是晶振,晶振是晶体振荡器的简称,晶体振荡器由晶体谐振器、外部振荡电路、放大电路、滤波电路等构成的高精度和...