晶振应用选型和测试

一路上

前言

其实我们工程师为了方便，缩写了晶振，全称则是晶体谐振器，是由石英晶体片或陶瓷晶体片经过加工并镀上电极而做成的。

谈到晶振如何产生时钟信号，需要从晶片的压电效应说起；压电效应和晶片内部的结构有关。石英晶体的化学式为二氧化硅SiO2，一个硅离子和两个氧离子交替排列组成的正六边形排列结构。

压电效应的定义为：当石英晶体受到压力，表面会产生电荷，电荷量和外机械力成正比的关系。晶振工作时对晶片两端的电极施加电压时，晶体会产生机械变形；当电场消失后，晶体的变形也会随之消失。

左图：未受到外力作用的晶格。

右图：当晶体沿着X轴或Y轴方向受到压力，晶格都会变形。

晶振等效电路

石英晶体的压电谐振现象可以用等效电路来模拟： 等效电路包括静态电容C0, 动态电容C1, 谐振电阻R1, 以及动态电感L1。

静态电容C0： 晶体两引脚之间的电容，是以水晶为介质，由两个金属电极形成的电容，和晶片电极面积(或晶体体积）大小和频率大小正比。

动态电容C1：表征振荡能力，与晶片电极面积（或晶体体积）和频率大小成正比。
谐振电阻R1：表征能耗，与Q值成反比。Q值是由生长的水晶料品质决定的，Q值越高，固有频率则越稳定。
动态电感L1：表征振动质量，与频率大小成反比。

晶振两端施加的交变信号频率等于晶振谐振频率时，晶振的电抗为0呈现电阻特性。谐振频率也是晶振等效电路中C1,L1,R1串联支路的谐振频率，故也称串联谐振频率。

晶振的反谐振频率指的是整个等效电路的谐振频率也称并联谐振频率。当输入信号的频率接近并联谐振频率时，晶振的电抗趋于无穷大。

从Fa到 Fs之间的区域就是通常所谓的“并联谐振区”也是晶振正常工作的区域了。在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180 °的相移。

那么在实际电路设计中，具体的参考电路如下图所示。通常皮尔斯振荡电路的晶振振荡电路，其实就是由单片机内部的反相器和反馈电阻，与外部的两个电容组成。有了芯片提供突变信号晶振就可以产生频率稳定的振荡信号了。

晶振分类

上面简述的这部分晶振的特性，都是用来描述无源晶振（Crystal/Xtal）的；晶振的分类主要有陶瓷无源晶振(Ceramic Resonator)、石英无源晶振(Crystal Resonator)、有源晶振(Oscillator/XO)、温度补偿晶振(TCXO)、预编程晶振。

陶瓷无源晶振：通过人工技术处理，将细微的粉末给予压电效应后燃结成型，制作成所需要产品的尺寸，且陶瓷频率受压电材料厚度决定，频率与厚度成正比关系，厚度越厚频率越大。陶瓷晶振的精度比石英晶振低，但是制作成本低、起振时间短。在一些消费类电子和汽车电子中，能看到陶瓷晶振的身影。像村田的CSTNR_G/CSTCR_G系列就是适用在汽车应用上，安全控制、车身控制，电池控制等等。

石英无源晶振：利用原生的石英材料切割成不同形状加工制作，频率受切割的轴向、大小及厚度的影响产生不同的频率。石英晶振精度高，最高能达到±10ppm-300ppm，可运用到高精度仪器及设备中。例如村田的XRCGB25M000F1SBAR0，频率25MHz，精度±10ppm，换算成百分比就是±0.001%。

有源晶振：一个完整的振荡器，里面除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件。

预编程晶振：把晶振参数，如频率偏差、工作电压、负载电容、频率等提供给晶振厂家，通过电脑等设备编程，将频点、精度、频差等些参数写入空白芯片。

晶振选型

说完了晶振的种类，那么在实际应用中需要根据自己需求，选择晶振的类型，比如是有源的还是无源的。如果是无源的话，需要关注下面这些参数：

1. 标称频率：在晶振的外壳上可以找频率，不同晶振对应不同的频率，选择多大频率的晶振，取决于系统的要求。

2. 精度：指的是晶振的频率相对于标称值的最大允许偏差，一般用ppm来表示，即百万分之一，值越小精度越高。在村田的官网上，我们看到精度由初始频偏、温漂、老化三部分组成。

频率公差即初始频偏，由于生产制造时不可避免的系统误差而产生了晶振的频率偏差，频率温度特性即温漂大家很好理解，就是外界温度变化带来的频偏，原厂会保证在晶振工作范围内的最大频偏，而频率老化，车规应用关注的比较多，原厂会保证10-15年内的老化的频偏。

3. ESR 等效串联电阻：晶振的内阻，和晶振的功耗有关系，如果ESR太高，功耗会增加，甚至无法起振。如果ESR越小，成本也会有所增加，因此可以根据实际情况进行选择。

测试方法

最后讲讲晶振的出厂测试，就是厂商对晶振出厂测试。出厂测试的内容可就非常多了，包括频率偏差、负载电容、振荡频率、起振余裕度、激励功率等专业参数测试。对于晶振的振荡稳定性（起振余裕度（负阻）、激励功率），频率稳定性（频偏）都有相应的测试方法。

对于晶振的振荡稳定性（起振余裕度（负阻）、激励功率），频率稳定性（频偏）都有相应的测试方法。拿振荡频率测试来说，需要频谱分析仪、天线，按照下图准备好测量设备：

测试时，让天线尽可能靠近振荡电路，但不能触碰到振荡电路，然后就可以读取频谱分析仪响应的峰值频率。

结语

虽然在整个硬件系统中，晶振是一个不起眼的器件，但缺它不可。更多内容请看：详解晶振构造和工作原理、详解晶振的结构和制作流程、晶振外围电路的计算。