晶振与匹配电容的总结[五篇范例]

第一篇：晶振与匹配电容的总结晶振与匹配电容的总结

1.匹配电容--负载电容是指晶振要正常震荡所需要的电容。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等 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。一般晶振两端所接电容是所要求的负载电容的两倍。这样并联起来就接近负载电容了。

2.负载电容是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容。他是一个测试条件，也是一个使用条件。应用时一般在给出负载电容值附近调整可以得到精确频率。此电容的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。

3.一般情况下，增大负载电容会使振荡频率下降，而减小负载电容会使振荡频率升高。4.负载电容是指晶振的两条引线连接ic块内部及外 部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。晶振旁的电阻(并联与串联)一份电路在其输出端串接了一个22k的电阻，在其输出端和输入端之间接了一个10m的电阻，这是由 连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器，将输入进行反向180度输 出，晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移，整个环路的相移360度，满足振荡的相位条件，同时还要求闭环增益大 等 1，晶体才正常工作。晶振输入输出连接的电阻作用是产生负反馈，保证放大器工作在高增益的线性区，一般在m欧级，输出端的电阻与负载电容组成网络，提供180度相移，同时起到限流的作用，防止反向器输出对晶振过驱动，损坏晶振。和晶振串联的电阻常用来预防晶振被过分驱动。晶振过分驱动的后果是将逐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升，并导致晶振的早期失效，又可以讲divelevel调整用。用来调整divelevel和发振余裕度。i和out的内部一般是一个施密特反相器，反相器是不能驱动晶体震荡的.因此，在反相器的 两端并联一个电阻，由电阻完成将输出的信号反向180度反馈到输入端形成负反馈，构成负反馈放大电路.晶体并在电阻上，电阻与晶体的等效阻抗是并联关系，自己想一下是电阻大还是电阻小对晶体的阻抗影响小大。电阻的作用是将电路内部的反向器加一个反馈回路，形成放大器，当晶体并在其中会使反馈回路的交流等效按照晶体频率谐振，由 晶体的q值非常高，因此电阻在很大的范围变化都不会影响输出频率。过去，曾经试验此电路的稳定性时，试过从100k～20m都可以正常启振，但会影响脉宽比的。晶体的q值非常高，q值是什么意思呢。晶体的串联等效阻抗是 ze=e__je，e增大了e--降低了q关 晶振石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用 彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用 频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

一、 石英晶体振荡器的基本原理

1、 石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。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。

2、 压电效应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_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。

3、 符号和等效电路当晶体不振动时，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pf到几十pf。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mh到几百mh。晶片的弹性可用电容c来等效，c的值很小，一般只有0.0002～0.1pf。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用来等效，它的数值约为100Ω。由 晶片的等效电感很大，而c很小，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。

4、 谐振频率从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个 谐振频率，即(1)当l、c、支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小(等 )。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对 串联揩振频率fs呈纯阻性，(2)当频率高 fs时l、c、支路呈感性，可与电容c。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗—频率特性曲线。可见当频率低 串联谐振频率fs或者频率高 并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs

二、 石英晶体振荡器类型特点石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子(即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切标称频率有：48khz、50 0khz、50

3.5khz、1mhz～40.50mhz等，对 特殊要求的晶振频率可达到1000mhz以上，也有的没有标称频率，如cb、ztb、ja等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接ic块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。

四、 石英晶体振荡器的发展趋势

1、 小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的 裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如tco这类器件的体积缩小了30～100倍。采用smd封装的tco厚度不足2mm，目前53mm尺寸的器件已经上市。

2、 高精度与高稳定度，目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，vco的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而oco在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，vco控制在±25ppm以下。

3、 低噪声，高频化，在gps通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。目前oco主流 产品的相位噪声性能有很大改善。除vco外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200mhz。例如用 gsm等移动电话的ucv4系列压控振荡器，其频率为650～1700mhz，电源电压

2.2～

3.3v，工作电流8～10ma。

4、 低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源电压一般为

3.3v。目前许多tco和vco产品，电流损耗不超过2ma。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的vg—2320sc型vco，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小 4ms。日本东京陶瓷公司生产的smdtco，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。oak公司的10～25mhz的oco产 品，在预热5分钟后，则能达到±0.01ppm的稳定度。

五、 石英晶体振荡器的应用

1、 石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。从石英晶体振荡器原理的示意图中，其中v1和v2构成cmos反相器石英晶体q与振荡电容c1及微调电容c2构成振荡系统，这里石英晶体相当 电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。一般q、c1及c2均为外接元件。另外1为反馈电阻，2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。故无法通过改变c1 或c2的数值来调整走时精度。但此时我们仍可用加接一只电容c有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容c，如图4所示。此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容c。如图5所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。因此，晶振可用 时钟信号发生器。

2、 随着电视技术的发展，近来彩电多采用500khz或503khz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。面且晶振价格便宜，更换容易。

3、 在通信系统产品中，石英晶体振荡 器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用 通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等晶振的负载电容晶体元件的负载电容是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容。是指晶振要正常震荡所需要的电容。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等 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。应用时一般在给出负载电容值附近调整可以得到精确频率。此电容的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。晶振的负载电容=[(cd_cg)/(cd__cg)]__cic__△c式中cd，c g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).就是说负载电容15pf的话，两边个接27pf的差不多了，一般a为6.5～1

3.5pf各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器.晶振引脚的内部通常是一个反相器，或者是奇数个反相器串联.在晶振输出引脚o和晶振输入引脚i之间用一个电阻连接，对 cmos芯片通常是数m到数十m欧之间.很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻，引脚外部就不用接了.这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处与线性状态，反相器就如同一个有很大增益的放大器，以便 起振.石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间，等效为一个并联谐振回路，振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率.晶体旁边的两个 电容接地，实际上就是电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点.以接地点即分压点为参考点，振荡引脚的输入和输出是反相的，但从并联谐振回路即石英晶体两端来看，形成一个正反馈以保证电路持续振荡.在芯片设计时，这两个电容就已经形成了，一般是两个的容量相等，容量大小依工艺和版图而不同，但终归是比较小，不一定适合很宽的频率范围.外接时大约是数pf到数十pf，依频率和石英晶体的特性而定.需要注意的是：这两个电容串联的值是并联在谐振回路上的，会影响振荡频率.当两个电容量相等时，反馈系数是0.5，一般是可以满足振荡条件的，但如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量，而增加输出端的值以提高反馈量.设计考虑事项：