详解晶振构造和工作原理

一路上

一、前言

咱搞硬件的，应该都使用过晶振，上一章写了晶体内部结构，链接是详解晶振的结构和制作流程。晶振是怎么自己起振的，如果从环路的角度看，应该就是利用的环路不稳定的特性，产生自激振荡。

晶体电路的环路的传递函数是怎么样的、为什么只有晶振的固有频率能振荡起来、为什么改变匹配电容就能改变频偏、为什么晶振电路有的要串电阻、为什么有的要并联1M电阻；既然有兴致就借这个机会把晶振的内容好好梳理一下，先从基础开始吧。

二、晶振分类

首先，晶振一般分为两种，一种叫有源晶振，一种叫无源晶振。

有源晶振也叫晶体振荡器，Oscillator；无源晶振有时也叫无源晶体，Crystal，晶体谐振器。至于哪个名字更专业，更准确，我觉得无需争论，名字只是代号而已，大家工作中沟通能知道说的是什么就行。

简单说有源晶振自己供上电就能输出振荡信号，无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。

以上分类是从使用上面来说的。如果我们单看晶振的内部构造，就会发现，有源晶振内部是包含了一个无源晶振，然后再将阻容，放大等电路也包含进去，整体封装好再给我们用。

有源晶振内部构造包含了无源晶振，所以，一般来说，有源晶振是比无源晶振是要贵的。另外一方面，我们只要了解了无源晶振的特性，有源晶振也就差不多了，毕竟，有源晶振可以看成是无源晶振做成的一个具体电路，供上电，就能输出振荡信号了。

所以，下面我们就只看无源晶振（晶体谐振器）

三、晶体谐振器构造

首先晶体谐振器里面的晶体，是指的石英晶体，化学式是二氧化硅SiO2。石英的特点是：热膨胀系数小，Q值高，绝缘。

石英可以做成晶体谐振器，主要是利用了压电效应；压电效应分为正压电效应和逆压电效应。

意思对应下图：

晶体的构造示意图：

上图左边是晶体构造的示意图，右边是我们常见的晶振的符号，二者是很像的。

根据对前面压电效应的理解，晶体可以将电能转化为机械能，然后机械能又能转化为电能。如果给晶体通上交流电，那不就是一会收缩，一会儿膨胀，这就是机械振动了。

我们知道机械振动的物理尺寸和结构固定之后，它本身一般就有一个固有的振动频率。当外加信号的频率与固有振动频率相等时，就会发生共振，产生谐振现象；显然晶振的频率，说的就应该是这个固有振荡频率；再从无源晶体也叫“晶体谐振器”，这个“谐振”，应该就是这个意思。

工作原理是机械振动，那么性能自然跟晶体的尺寸和结构非常大的关系；这个我也查了一下，确实如此。

晶振频率与切片厚度，切割工艺的关系

切割工艺，就是对晶体坐标轴某种角度去切割。切型有非常多的种类，因为石英是各向异性的，所以不同的切型其物理性质不同，切面的方向与主轴的夹角对其性能有非常重要的影响，比如：频率稳定性，Q值，温度性能等等。

常见的切割类型有两种，AT和BT切。

同种频率的晶振，AT切比BT切的温度系数要小，切片厚度要薄，但是Q值比BT切要低。下面是晶体频率同切片厚度，切割类型的关系：

晶振手册中，也会给出切割类型，不知道兄弟们有没有关注这个参数呢？

四、特殊的晶振---32.768Khz

从上面看出，AT切的20Mhz晶振的切片很薄，只有0.083mm，但是频率降低到32.768Khz，如果还是AT切的话，厚度就是：

0.083mm*20Mhz/32.768Khz=50.66mm。

显然，这个尺寸太大了。

我们现实中看到的32.768khz的晶振显然是没有这么大的，所以可以肯定的是，32.768Khz的晶振肯定不是AT或是BT切，应该是别的方式。

32.768Khz一般是音叉的结构，就是下面这种：

我想，可能就是因为常规的AT，BT切片方式做不了低频的晶振（尺寸太大），所以这种32.768Khz这样的采用这种音叉结构。

这让我想起当年一开始使用32.768Khz晶振的时候，被迫选了个MC-146封装的，当时还觉得奇怪：别的晶振都能做成3225这种封装的，就你搞特殊，封装长这么奇怪。

五、结语

本节内容总结晶振构造和工作原理，对于硬件设计来说，用处不是特别大，不过了解下也没坏处。