电路基础知识：常见晶振电路详解

电路基础知识：常见晶振电路详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_52856735/article/details/131041138

晶振电路是电子工程中的基础组件，其稳定性和精度直接影响整个系统的性能。本文详细介绍了有源晶振和无源晶振的特点、工作原理，以及晶振选型的关键参数和分类，为电子工程师提供了全面的技术指导。

一、有源晶振

有源晶振的精度可以达到0.1ppm，稳定性优于无源晶振。通常有4个引脚：电源、接地、信号输出和空脚（NC）。有源晶振自身就能产生振动。

注：R1、C3需根据实际进行调整处理，电源必须是稳压的且电源引线尽量短，并尽量与系统中使用晶振信号的芯片共地。

二、无源晶振

无源晶振有2个引脚，需要借助外部时钟电路才能产生振荡信号。两个外接电容可以微调晶振产生的时钟频率。

晶振负载电容选择

不同公司生产的同一标称频率的晶振，所需要的负载电容CL（Load capacitance）可能不同。通过公式计算电容容值：

例子：假设晶振为晶振容性负载CL =0pF，走线线电容Ctrace =2.8pF，引脚电容Cpin =6pF，则晶振外部负载电容Cext =33pF。

晶振并联电阻

晶振通常并联一个1M电阻（KHz晶振电路，并联电阻通常为10M欧，MHz晶振，并联电容通常为1M欧左右）。

并联电阻的作用：

1. 降低晶体的Q值，使起振更容易。
2. 抑制EMI。
3. 提供直流工作点。
4. 使门电路工作于线性区，提升增益，缩短起振时间。
5. 在低温环境下增加振荡电路稳定性。

注：并联电阻不能太小，串联电阻不能太大。否则，在温度较低的情况下不易起振。

串联电阻

串联电阻的作用：

1. 降低晶体的激励功率，防止损坏。
2. 限制振荡幅度。
3. 减少晶振的频率偏移程度。

三、晶振选型关键参数

1. 基准频率：晶振在完全理想条件下的振荡频率。
2. 工作电压：晶振的工作需要外界提供一定的电源电压。
3. 输出电平：时钟信号的电平种类。
4. 工作温度范围：根据环境温度要求选择。
5. 频率精度：包含了温度变化、电源电压波动等因素引起的频率偏差。
6. 老化度：频率精度与时间的关系。
7. 启动时间：从上电到晶振输出频率达到规定精度所需的时间。

四、晶振分类

常用的晶振分为三类：标准封装晶体振荡器SPXO、压控式晶体振荡器VCXO、温度补偿式晶体振荡器TCXO。

标准封装晶体振荡器SPXO

无温度补偿功能，频率精度最高可以达到±10ppm。

主要参数：

1. 基准频率：多种频率可供选择。
2. 工作电压：支持1.8V、2.5V、3.3V、5.0V。
3. 输出电平：CMOS。
4. 工作温度范围：应远离发热源。
5. 频率精度：已包含温度变化、电源电压波动等因素引起的频率偏差。
6. 老化度：已包含在频率精度中。
7. 启动时间：最大值为10ms。
8. 占空比：在双边沿采样时序计算中需考虑。
9. 时钟抖动：RMS Jitter(12kHz~20MHz)典型值为0.5ps，全频段典型值为2.5ps。

压控式晶体振荡器VCXO

VCXO常用在锁相环(PLL)电路中。

主要参数：

1. 基准频率：从77.76MHz到200MHz。
2. 输出电平：LVPECL。
3. 工作温度范围：应远离发热源。
4. 频率-温度稳定度：±20ppm。
5. 电源电压：3.3V。
6. 控制电压：调整范围为0.3~3V。
7. 牵引范围：从中央电压开始调整时的输出频率变化范围。
8. 绝对牵引范围：牵引范围加上温度变化、老化等因素造成的偏移范围。
9. 频偏敏感度：以ppm/V为单位。
10. 线性度：Gain曲线的线性程度。
11. 调制带宽：VCXO能支持的调整电压最大带宽。
12. 时钟抖动：多个抖动参数，典型值从0.3ps到20ps不等。

温度补偿式晶体振荡器TCXO

TCXO利用附加的温度补偿电路减小环境温度对振荡频率的影响。

主要参数：

1. 基准频率：最高可达27MHz。
2. 输出电平：CMOS。
3. 工作温度范围：根据环境温度要求选择。
4. 电源电压：3.3V或5V。
5. 控制电压：提供一个引脚作为控制电压输入。
6. 启动时间：最大值为2ms。
7. 相位噪声。
8. 频率精度：已包含温度变化、电源电压波动等因素引起的频率偏差。

五、PCB设计注意事项

1. 保持负载电容恒定：晶振焊盘与下方平面层之间会形成寄生电容，会影响频偏。需要在晶振下方的平面层做挖空处理，增大焊盘到平面的距离。
2. 抑制热传导导致的频偏：晶振的频率会受到温度影响，需要在晶振下方的平面层做挖空处理，隔绝与发热器件的铜皮连接。