晶振是什麼，乾貨哥告訴你

晶振是石英晶體諧振器（quartzcrystal oscillator）的簡稱，也稱有源晶振，它能夠產生中央處理器（CPU）執行指令所必須的時鐘頻率信號，CPU一切指令的執行都是建立在這個基礎上的，時鐘信號頻率越高，通常CPU的運行速度也就越快。

只要是包含CPU的電子產品，都至少包含一個時鐘源，就算外面看不到實際的振盪電路，也是在芯片內部被集成，它被稱為電路系統的心臟。

如下圖所示的有源晶振，在外部施加適當的電壓後，就可以輸出預先設置好的週期性時鐘信號，

這個週期性輸出信號的標稱頻率（Normal Frequency），就是晶體元件規格書中所指定的頻率，也是工程師在電路設計和元件選購時首要關注的參數。晶振常用標稱頻率在1～200MHz之間，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等，更高的輸出頻率也常用PLL（鎖相環）將低頻進行倍頻至1GHz以上。

輸出信號的頻率不可避免會有一定的偏差，我們用頻率誤差（FrequencyTolerance）或頻率穩定度（Frequency Stability），用單位ppm來表示，即百萬分之一（partsper million）（1/10⁶），是相對標稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。

比如，12MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為12×20Hz=±240Hz，即頻率範圍是（11999760～12000240Hz）

另外，還有一個溫度頻差（Frequency Stability vs Temp）表示在特定溫度範圍內，工作頻率相對於基準溫度時工作頻率的允許偏離，它的單位也是ppm。

我們經常還看到其它的一些參數，比如負載電容、諧振電阻、靜電容等參數，是神馬情況？這些與晶體的物理特性有關。我們先了解一下晶體，如下圖所示

石英晶體有一種特性，如果在晶片某軸向上施加壓力時，相應施力的方向會產生一定的電位

相反的，在晶體的某些軸向施加電場時，會使晶體產生機械變形；

如果在石英晶片上加上交變電壓，晶體就會產生機械振動，機械形變振動又會產生交變電場，儘管這種交變電場的電壓極其微弱，但其振動頻率是十分穩定的。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（與切割後的晶片尺寸有關，晶體愈薄，切割難度越大，諧振頻率越高）相等時，機械振動的幅度將急劇增加，這種現象稱為“壓電諧振”。

將石英晶片按一定的形狀進行切割後，再用兩個電極板夾住就形成了無源晶振，其符號圖如下所示：

下圖是一個在諧振頻率附近有與晶體諧振器具有相同阻抗特性的簡化電路。

其中：C1為動態等效串聯電容；

L1為動態等效串聯電感；

R1為動態等效串聯電阻，它是晶體內部摩擦性當量

C0為靜態電容，相當於兩個電極板之間的電容量；

這個等效電路有如下圖所示的頻響特性曲線：

當R1、L1、C1串聯支路發生諧振的頻率即串聯諧振頻率（Fr），此時容抗與感抗相互抵消，因此，支路相當於只有等效串聯電阻R1。

這個頻率是晶體的自然諧振頻率，它在高穩晶振的設計中，是作為使晶振穩定工作於標稱頻率、確定頻率調整範圍、設置頻率微調裝置等要求時的設計參數（但不是標稱頻率），其表達式如下所示：

等效串聯電阻R1決定晶體元件的品質因數，品質因數又稱機械Q值，它是反映諧振器性能好壞的重要參數，它與L1和C1有如下關係：

R1越大，Q值越低，會導致頻率不穩定，反之，Q值越高，頻率越穩定，晶體的特點在於它具有很高的品質因素。

等效電路還有一個反諧振頻率f_L（並聯諧振頻率），此時串聯支路呈現為感抗，相當於一個電感，如下圖所示：

此時的頻率如下圖所示：

通常廠家的晶振元件數據手冊給出的標稱頻率不是F_r或F_L，實際的晶體元件應用於振盪電路中時，它一般還會與負載電容相聯接，共同作用使晶體工作於F_r和F_L之間的某個頻率，這個頻率由振盪電路的相位和有效電抗確定，通過改變電路的電抗條件，就可以在有限的範圍內調節晶體頻率。

當負載電容與晶體串聯時，如下圖所示：

串接的小電容C_L可以使石英晶體的諧振頻率在一個小範圍內調整，此時新的負載諧振頻率如下式所示：

其中，C₁遠遠小於C₀+C_L

當負載電容與晶體並聯時，如下圖所示：

同樣，並聯的負載C_L也可以小範圍調整諧振頻率，相應的負載諧振頻率如下式：

從實際效果上看，對於給定的負載電容值，F’_r與F’_L兩個頻率是相同的，這個頻率是晶體的絕大多數應用時所表現的實際頻率，也是製造廠商為滿足用戶對產品符合標稱頻率要求的測試指標參數，也就是本文最開頭介紹的晶振標稱頻率，

當晶體元件與外部電容相連接時（並聯或串聯），在負載諧振頻率時的電阻即為負載諧振電阻R_L，它總是大於晶體元件本身的諧振電阻。