晶振工作原理及参数详解

晶振电路周期性输出信号的标称频率（Normal Frequency），就是晶体元件规格书中所指定的频率，也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数。晶振常用标称频率在1～200MHz 之间，比如 32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz 等，更高的输出频率也常用 PLL（锁相环）将低频进行倍频至 1GHz 以上。输出信号的频率不可避免会有一定的偏差，我们用频率误差（Frequency Tolerance）或频率稳定度（Frequency Stability）来表示，单位是 ppm，即百万分之一（parts per million）（1/106），是相对标称频率的变化量，此值越小表示精度越高。比如，12MHz 晶振偏差为±20ppm，表示它的频率偏差为 12×±20Hz=±240Hz，即频率范围是（11999760～12000240Hz）。另外，还有一个温度频差（Frequency Stability vs Temp），表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离，它的单位也是ppm。我们经常还看到其它的一些参数，比如负载电容、谐振电阻、静电容等参数，这些与晶体的物理特性有关。石英晶体有一种特性，如果在晶片某轴向上施加压力时，相应施力的方向会产生一定的电位。相反的，在晶体的某轴向施加电场时，会使晶体产生机械变形；如果在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，机械形变振动又会产生交变电场，尽管这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（与切割后的晶片尺寸有关，晶体愈薄，切割难度越大，谐振频率越高）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。将石英晶片按一定的形状进行切割后，再用两个电极板夹住就形成了无源晶振，其符号图如下所示：下图是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。其中：C1 为动态等效串联电容；L1 为动态等效串联电感；R1 为动态等效串联电阻，它是晶体内部摩擦性当量；C0 为静态电容，相当于两个电极板之间的电容量；这个等效电路有如下图所示的频响特性曲线：当 R1、L1、C1 串联支路发生谐振的频率即串联谐振频率（Fr），此时容抗与感抗相互抵消，因此，支路相当于只有等效串联电阻R1。这个频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数（但不是标称频率），其表达式如下所示：等效串联电阻 R1 决定晶体元件的品质因数，品质因数又称机械Q 值，它是...