晶振外围电路的计算

一路上

前言

晶振是石英晶体谐振器（quartzcrystal oscillator）的简称，也称有源晶振，它能够产生中央处理器（CPU）执行指令所必须的时钟频率信号，CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的。只要是包含CPU的电子产品，都至少包含一个时钟源，就算外面看不到实际的振荡电路，也是在芯片内部被集成，它被称为电路系统的心脏。

晶振的结构

晶振结构一般由上盖—晶片—IC—导电胶—陶瓷基座。晶振外形体积体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点；在要求频率十分稳定的振荡电路中，其具还能有极高的稳定性，广泛被应用于移动端和安防设备等电子设备领域。

晶振原理：

石英晶体之所以可以做振荡电路是由于他的压电效应。若在晶体上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时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。

晶振等效模型：

C0:寄生电容 pF、Rm:等效电阻 Ω、Cm:等效电容 fF

晶振谐振点：

Fs当Z=0时的串联谐频率：

Fa当Z趋于无穷大时的并联谐振频率 ：

当外部增加负载电容后谐振点：

Cl为外部负载电容

晶振电路设计：

负载电容CL：

是指连接到晶振上的终端电容。CL值取决于外部电容器CL1和CL2，电路板上晶振oscin,oscout的杂散电容(Cs)。外部电容器CL1和CL2可用来调整CL，使之达到晶振制造商的标定值。

其中杂散电容一般1pf-5pf,在10pf以内。

振荡器的增益裕量 ：

增益裕量是最重要的参数，它决定振荡器是否能够正常起振

是反向器的跨导，其单位是mA/V 或者μA/V 。 晶振自身由厂商提供

Gain≥1，即可起振，但在实际设计中为了保持晶振的稳定工作Gain5.如果Gain≤5需要重新选择ESR较低的晶振和Cl较低的晶振。

驱动级别DL计算 ：

驱动级别描述了晶振的功耗。晶振的功耗必须在范围内，否则晶体可能会由于过度的振动而导致不能正常工作。通常由厂商给出驱动级别的最大值，单位是毫瓦。



(交流电流的均方根有效值 )。由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。因此可以假定经过晶振的电流等于流经CL1的电流 。

外部电阻RExt计算

电阻的作用是限制晶振的驱动级别DL，并且它与CL2组成一个低通滤波器，以确保振荡器的起振点在基频上，而不是在其他高次谐波频率点上(避免3次， 5次， 7次谐波频率)。如果RExt值太小，晶振上可能会承担太多的功耗。如果RExt值太大，振荡器起振条件将得不到满足从而无法正常工作 。

因此在设计晶振电路的时候需要考虑以下3点：

增益裕量(Gainmargin) 、外部负载电容的计算 、驱动级别及外部电阻的计算