OSC-1無源晶振基礎(chǔ)

引言：晶振全稱為晶體振蕩器，其作用在于產(chǎn)生原始的時(shí)鐘頻率，在電路中用作時(shí)間或頻率的基準(zhǔn)源，這個(gè)頻率經(jīng)過頻率發(fā)生器的倍頻或分頻后就成了系統(tǒng)中各種不同的總線頻率、時(shí)鐘周期。

1.無源晶振的等效電路

如圖1-1所示，石英晶體的壓電諧振現(xiàn)象可以用等效電路來模擬，等效電路包括靜態(tài)電容C0、動(dòng)態(tài)電容C1、諧振電阻R1、以及動(dòng)態(tài)電感L1，等效電路圖如圖：

圖1-1：無源晶振等效模型

靜態(tài)電容C0

靜態(tài)電容C0是指晶體兩引腳之間的電容，以水晶為介質(zhì)，由兩個(gè)金屬電極形成的電容，和晶片電極面積（晶體體積）大小和頻率大小呈正比。靜電容C0太高會(huì)產(chǎn)生較大的副波，影響頻率穩(wěn)定性。在實(shí)際測(cè)數(shù)據(jù)中，C0值控制在2pF上下時(shí)，晶振的輸出穩(wěn)定性可以得到保障。

如果負(fù)載電容CL很大，靜態(tài)電容C0的改變對(duì)頻率變化的影響很小，頻率更加穩(wěn)定，所以負(fù)載高，遠(yuǎn)端相位噪聲好；相反，如果負(fù)載電容CL很小，靜電容C0的微小變化就會(huì)造成頻率的明顯變化，但近端相位噪聲好，容易調(diào)整頻率，晶振容易起振。

動(dòng)態(tài)電容C1

動(dòng)態(tài)電容C1表征振蕩能力，與晶片電極面積（或晶體體積）和頻率大小呈正比。

諧振電阻R1

諧振電阻R1表示晶體在固有諧振頻率下的等效阻抗，與Q值成反比，而Q值是由生長(zhǎng)的水晶料品質(zhì)決定的。

朝著無源晶振越來越小型化，諧振電阻R1也會(huì)增大，負(fù)載電容CL會(huì)降低。

內(nèi)阻RR和ESR

RR：晶振內(nèi)阻/晶振電阻，是晶振本身的電阻值。RR越大，起振需要的功耗大，如果激勵(lì)電平不變，內(nèi)阻過大會(huì)造成起振困難。

ESR：表征能耗，與Q值成反比。Q值是由生長(zhǎng)的水晶料品質(zhì)決定的，Q值越高，固有頻率則越穩(wěn)定。

動(dòng)態(tài)電感L1

動(dòng)態(tài)電感L1表征振動(dòng)質(zhì)量，與頻率大小成反比。

2.無源晶振的電路結(jié)構(gòu)

無源晶振由于自身無法輸出頻率，需要搭配外部放大電路輸出頻率。在并聯(lián)型振蕩器電路中，皮爾斯電路是射極接地的并聯(lián)振蕩電路，工作有效且穩(wěn)定。

如圖1-2，皮爾斯振蕩器Pierce Oscillator由晶振、芯片內(nèi)部的反相放大器(Amp)、匹配電容C1和C2、以及電阻RF和Rd組成。

圖1-2：無源晶振的典型結(jié)構(gòu)

其中反相部分形成一個(gè)放大電路Amp，驅(qū)動(dòng)電流從XTAL流出，經(jīng)過晶體自身從EXTAL流入，因此C1也叫Cg，C2叫Gd。

負(fù)載電容CL

負(fù)載電容是設(shè)計(jì)晶體電路最為重要的參數(shù)之一，在串聯(lián)諧振型電路中，不需要負(fù)載電容。晶體的頻率會(huì)根據(jù)串聯(lián)的電容電抗而改變，但在并聯(lián)型諧振電路中必不可少。

CL的值大，遠(yuǎn)端相位噪聲好，如果過大，則會(huì)難調(diào)整到標(biāo)稱頻率，不易起振。CL的值小，近端相位噪聲好，容易調(diào)整頻率，容易起振。晶體時(shí)鐘的負(fù)載電容（CL）建議為8pF ~ 20pF。

如果晶體兩端的等效電容和標(biāo)稱負(fù)載電容存在差異，晶體輸出的頻率將會(huì)和標(biāo)稱工作頻率產(chǎn)生偏差，叫做頻偏。所以為了更接近晶體的負(fù)載電容CL，使晶體輸出的頻率則越精準(zhǔn)，電路需要增加匹配電容CL1、CL2并考慮電路的雜散電容Cstray。電容器CL1和CL2靠近晶體XTI和XTO引腳，CL1和CL2可以由以下公式（公式1是通用公式，公式2是精確公式，建議使用公式2）來確定：

其中CL是總的負(fù)載電容，CL1和CL2是匹配電容，Cs（Cstray）包括XTI/XTO引腳和PCB的寄生電容，通常預(yù)估為3 ~ 8pF。

反饋電阻RF

反饋電阻RF有內(nèi)置和外置兩種，圖1-2所示為外置，有的則是內(nèi)置于主芯片中，此時(shí)晶振兩端就不需要再加反饋電阻RF。

芯片Xin和Xout內(nèi)部一般是施密特反相器，反相器不能驅(qū)動(dòng)晶體振蕩，需要并聯(lián)一個(gè)電阻，即RF。電阻完成輸出信號(hào)反向180度反饋到輸入端進(jìn)行負(fù)反饋，構(gòu)成負(fù)反饋放大電路（Amp）。如果沒有加RF，晶振電路也可能會(huì)起振，但存在不起振或者停振的風(fēng)險(xiǎn)，反饋電阻RF需要確保晶振啟動(dòng)并保持其穩(wěn)定，通常RF推薦值為1MΩ-2MΩ。

小結(jié)：

1：配合IC內(nèi)部形成負(fù)反饋

2：防止晶體被過分驅(qū)動(dòng)

3：降低諧振阻抗，容易啟動(dòng)

4：電阻影響波形的脈寬

限流電阻Rd

外部限流電阻Rd作用是限制晶振電路的驅(qū)動(dòng)大小，防止晶體被過分驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致晶體老化或者早期失效，并且阻尼電阻Rd還可以用于抑制電磁干擾輻射。

Rd太小，晶振會(huì)承擔(dān)太多功耗；Rd太大，電路起振條件不能滿足，晶振無法正常工作。Rd的值不大，通常推薦值為0Ω-33Ω。根據(jù)主芯片的晶振波形幅度要求值，可以通過調(diào)整Rd的大小來調(diào)整晶振輸出波形的振蕩幅度。

小結(jié)：

1：降低激勵(lì)功率防止損壞

2：限制振蕩幅度。