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Crystal (晶振) 简介

晶振是一种石英产品,使用晶振的电路可以分为石英晶体谐振器和石英晶体振荡器。

振荡器是由谐振器与IC(也可以是三极管/电阻/电容等)组成,石英晶体振荡器相当于用电阻、电容、三极管等组成的双稳态振荡器。简单地说,晶体振荡器(有源器件)是由晶体谐振器(无源器件)和相关电路组成。晶体谐振器只是作为输出时钟电路的一个参考频率(Frequency Reference),而晶体振荡器则可以直接输出有一定驱动能力的时钟频率(Clock)。

由于晶振的频率十分稳定,因此用来稳定振荡线路的振荡频率,这也是晶体谐振器的作用。

晶体谐振器的基本线路如下:

晶体谐振器

Cd,Cg为外加负载电容,或已Build-in Chipset中

Rf为回授电阻,一般已经Build-in Chipset中,约为200K~1M Ω

Rd为限流电阻,一般回路不需接此电阻,若回路Power过大可加入此电阻,约470 Ω~1K Ω

Total Capacitance:

CT=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)

CL=CT+Cs Match up Crystal spec

Cs: 线路上分布的杂散电容

CL: 负载值,指特定负载频率时的负载电容(pf)

1.晶振是如何开始起振的?

最初的起振是由于电路中的噪音引起的,随着谐振的增加, 逐渐达到稳定的石英晶体频率和一定的幅度.称之为谐振(共振).

噪音就是杂乱无章的振荡频率,晶体频率是稳定的频率,经过一定时间,晶体的频率会从许多频率中拖影而出,从而振荡器的频率稳定在晶体的频率.

2.什么是负性阻抗?

负性阻抗是指从石英晶振的二个端子向振荡线路看, 所得到振荡线路在振荡频率时的阻抗特性值. 振荡线路上必需提供足够的放大增益值来补偿石英晶振在共振时的机械能损失. 负性阻抗并不是石英晶振的产品参数, 但却是振荡线路的一项重要特性参数. 从共振子的角度而言, 就是在振荡线路的”负性阻抗”.

3.负性阻抗的要求

稳定的振荡回路,振荡IC的负性阻抗(-R)至少为Crystal阻抗的5倍以上,即|-R| > 5Rr

例如Crystal 阻抗为40 Ω ,则IC的负性阻抗需在-200 Ω 以下,才能形成稳定的振荡回路。

4.如何测量负性阻抗

“负性阻抗”是用来评价振荡回路品质(Q)的指标。在某些情况下(老化,温度变化,电压变化…等),振荡回路会失效,回路可能不起振,因此IC负性阻抗 (Negative resistance ,-R )的确认就变得相对重要。

负性阻抗的测量方式如下:

测量晶振的负性阻抗

1> 串联电阻R到Crystal的输出端(Xout);

2> 调整R值,使Crystal由起振至停止振荡;

3> 当电路由起振至停止振荡时,测量R值;

4> 得到负性阻抗|-R| = R+Rr,Rr为Crystal的阻抗值

注:回路的杂散电容会影响到上述结果的准确性

5. 如何调整Cg和Cd (俗称调5R)

按照以下5个步骤来微调Cg和Cd:

1> 在晶振的输出端Xout 串联5R(5倍于晶振阻抗),确认晶振是否起振;

2> 如果不起振,减小Cg(Xin端)再确认是否起振;

3>如果起振,请移除 5 R ,确认晶振频率是否精确;不起振,请重复 2> ;

4> 如果频率不准,请微调Cd(Xout 端);

5> 如果Cg(Xin 端)和Cd(Xout 端)是定义了一个固定值,请确认在Xout 串联5R(5倍于晶振阻抗)晶振是否起振。

有关晶振的其他技术问题,如石英晶体是如何切割的,AT-、BT-等切割角度对晶振特性的影响等等,可以参考TXC 台湾晶技网站的相关内容.

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