晶振详解之工作原理

晶体or晶振，还是傻傻分不清楚？

晶体是晶体谐振器（Crystal）的简称，也称为无源晶体。一般是利用石英晶体的压电效应，用来产生高精度振荡频率的一种电子元件。无源晶体需要依靠电容电阻才能进行起振。

晶振是晶体振荡器（Oscillator）的简称，也称为有源晶振。有源晶振内部集成了起振电路，无需外部添加其他元器件即可正常工作，但其需要外部电源供电。

在封装上晶体通常为两脚和四脚，晶振通常为四脚或四脚以上。可以肯定的是，两脚的一定是晶体。 对于四脚的晶体和晶振，需要观察其外围电路是否有其他器件连接，如若无则为有源晶振。或者查看高度，一般晶振的厚度比晶体要高。

常见晶体晶振实物如下图所示：

晶振的工作原理

晶振的等效电路：

R是ESR串联等效阻抗，L和C分别是等效电感和电容，Cp为寄生电容。

晶振的电抗频谱线：

当晶振在串联谐振状态下工作时，线路表现为纯阻性，感抗等于容抗（XL=XC），串联谐振频率为：

当晶振在并联谐振状态下工作时，线路表现为纯感性。在这种模式下，工作频率由晶振的负载决定。对于并联谐振状态的晶振，晶振制造商应该指定负载电容CL。在这种模式下，谐振频率：

在并联谐振模式下，电抗线中fs到fa的斜线区域内，通过调整晶振的负载，晶振都可以振荡起来。

晶振电路

晶振振荡电路图如下图所示。这样的组成可以使晶振处于并联谐振模式。反相器提供了180°的相移，晶振、R1、C1、C2组成的π型网络产生另外180°的相移。所以整个环路的相移为360°。这满足了保持振荡的一个条件。另外一个条件是要求闭环增益应≥1，才能正确起振和保持振荡。

电阻Rf产生负反馈，它将反相器设定在中间补偿区附近，使反相器工作在高增益线性区域。电阻值很高，范围通常在500KΩ ~2MΩ内。图示的C1，C2就是为晶振工作在并联谐振状态下得到负载电容CL的电容。关于最优的负载电容CL的计算公式为：

其中Cs为PCB中晶振引脚寄生电容，典型值为2-5pF。通常C1,C2值取值相等。R1是驱动限流电阻，主要功能是限制反相器输出，这样晶振不会被过驱动（over driven）。R1、C1组构成分压电路，这些元器件的数值是以这样的方式进行计算的：反相器的输出接近rail-to-rail值，输入到晶振的信号是rail-to-rail的60%，通常实际是令R1的电阻值和的C1容抗值相等，即R1 ≈ XC1。这使晶振只取得反相器输出信号的一半。要一直保证晶振消耗的功率在厂商说明书规定范围内，过驱动会损坏晶振。

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。 参考下图：

一些芯片内置了这些外部器件(Rf，R1，C1，C2)，因此消除了电路设计师的烦恼。这种情况下，只要把晶振连接在XTAL引脚上即可。

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参考

• 电路基础：晶振电路设计方案及建议
• 晶振工作原理及参数详解