晶振电路(晶振详解「工作原理、结构、特点、应用」)

Posted 2023-05-29

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晶振电路(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