手机时钟电路中晶振的工作原理简介

时钟信号是处理器电路开始工作的基本条件之一，在电路中有着非常重要的作用。当智能手机接上电源之后，电源电路两端就会产生3.7V的电压，这个电压直接为处理器内部的振荡器供电，随即时钟电路开始工作，为处理器芯片内部的微处理器电路中的开机模块提供所需的时钟频率。

这个过程中，最重要的是如何产生稳定可靠的时钟频率。这就归功于下面我们要讲的晶振。

 

石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准，是其它类型的振荡器所不能替代的。

下面的介绍主要分为以下几个内容：

1、手机中的时钟电路

2、晶振的工作原理

3、晶振的关键性能参数

4、不同晶振类型介绍

1、 手机中的时钟电路

 

典型的时钟电路如上图所示，晶振两端分别并联接地电容（几十pf量级），输入输出端则接在芯片对应端口。晶振两端存在一个电压差（~8V），保证晶振正常工作。

2、 晶振工作原理

石英晶振是利用了石英晶体的压电效应而制成的一种谐振器件。

它的基本结构如下图所示，是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称晶片，正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂覆银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装壳就构成了石英晶体谐振器，简称石英晶振或晶振。其产品一般为金属封装，也有玻璃壳、陶瓷（精度较低）或塑料封装的。

石英晶体的压电效应：若在石英晶体的两个电极上加一个电场，晶体就会产生机械形变。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场。整个过程是可逆的。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

3、 晶振的关键性能参数

• 标称频率：振荡器输出的中心频率或频率的标称值。
• 调整频率：在指定温度范围内振荡器输出频率相对于25℃时测量值的最大允许频率偏差。
• 负载电容：是指在电路中跨接晶体两端总外界有效电容。
• 工作温度范围：能够保证振荡器输出频率及其化各种特性符合指标的温度范围。
• 频率温度稳定度：在标称电源和负载电容下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
• 激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。
• 老化率：在确定时间内输出频率的相对变化。
• 基频：在振动模式最低出人阶次的振动频率。
• 泛音：晶体连续振动所叠加的机械谐波。
• 中心频率：晶体振荡时所表现出来的频带中心,以中心频率为准.一般用MHZ或KHZ做单位。

4、 不同晶振类型介绍

晶振一般分为有源晶振和无源晶振。两者的区别在于：

无源晶振是一种无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来。通过在晶振两电极上加一定电压产生形变，从而给IC提供一个正弦波形。通过IC的内部整形和PLL电路后产生方波，然后输入给下级电路；有源晶振就是把频率部分和驱动PLL电路集成在IC外部，自成一体，直接输出方波供下级电路使用。

无源晶振（晶体谐振器）有插件和贴片之分，贴片又分为两脚和四脚，四脚贴片其对脚为有效脚，剩下两脚可以作为接地，也可以悬空不起太大作用；而有源晶振（晶体振荡器）均为四脚：1脚为使能端，2脚为接地端，3脚为输出端，4脚为电源端。

石英晶体振荡器分还可以分为

非温度补偿式晶体振荡器

温度补偿晶体振荡器（TCXO）

电压控制晶体振荡器（VCXO）

恒温控制式晶体振荡器（OCXO）

数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。