一文讀懂晶振

晶振，一般指石英晶體振蕩器，是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。

石英晶體具有壓電效應(yīng)，若在晶體的兩個(gè)電極上加上一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)。

當(dāng)在晶片的兩極上加交變電壓時(shí)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅會(huì)明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。晶振的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

分類；

無(wú)源晶振

也稱為晶體諧振器，需要用 IC 片內(nèi)的振蕩器。它沒(méi)有電壓的問(wèn)題，信號(hào)電平是可變的，可適用于多種電壓，價(jià)格通常較低。但無(wú)源晶振需要外接電容、電阻等元件來(lái)組成振蕩電路，起振時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，并且頻率穩(wěn)定性相對(duì)較差。

有源晶振

不需要 IC 的內(nèi)部振蕩器，信號(hào)質(zhì)量好、比較穩(wěn)定，連接方式相對(duì)簡(jiǎn)單（通常做好電源濾波即可）。有源晶振有電源、地和時(shí)鐘輸出引腳，內(nèi)部有晶體和振蕩電路，頻率在出廠時(shí)已校準(zhǔn)。不過(guò)其信號(hào)電平是固定的，靈活性較差，而且價(jià)格相對(duì)較高。

其他特殊類型：如溫補(bǔ)晶振（TCXO），通過(guò)外圍電路對(duì)石英晶體的頻率進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使其在不同溫度下仍能保持較高的頻率穩(wěn)定性；恒溫晶振（OCXO），利用恒溫槽使石英晶體工作在恒溫環(huán)境下，具有極高的頻率精度和穩(wěn)定性。

晶振的指標(biāo)主要包括以下方面：

中心頻率

指晶振輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率值，單位為赫茲（Hz）、千赫茲（kHz）或兆赫茲（MHz）等，常見(jiàn)的如 32.768kHz、12MHz、24MHz 等。該頻率是晶振最基本的參數(shù)，不同的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)需要不同的中心頻率。

頻率精度/準(zhǔn)確度

在常溫（25℃）環(huán)境下，晶振輸出頻率與標(biāo)稱中心頻率的偏差。通常用百萬(wàn)分之一（ppm）來(lái)表示，數(shù)值越小，精度越高。例如，±10ppm 的晶振意味著其輸出頻率與標(biāo)稱頻率的偏差在百萬(wàn)分之十以內(nèi)。

頻率穩(wěn)定度

衡量晶振輸出頻率在工作過(guò)程中因溫度、電壓、負(fù)載等因素變化而產(chǎn)生的頻率波動(dòng)大小。也是用 ppm 來(lái)表示，例如在 - 40℃至 85℃的溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定度為 ±50ppm，表示在該溫度區(qū)間內(nèi)，晶振的頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率的變化范圍在百萬(wàn)分之五十以內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，溫補(bǔ)晶振（TCXO）和恒溫晶振（OCXO）的頻率穩(wěn)定度較高。

頻率老化率

晶振在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，輸出頻率會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生緩慢變化，通常以每年百萬(wàn)分之幾（ppm / 年）來(lái)表示。例如，某晶振的老化率為 ±3ppm / 年，意味著在第一年的常溫條件下，其頻率相對(duì)于初始頻率的變化在百萬(wàn)分之三以內(nèi)。

工作電壓

有源晶振需要外部電源供電，工作電壓是其正常工作所需的電壓值，常見(jiàn)的有 1.8V、2.5V、3.3V、5.0V 等。不同的晶振類型和應(yīng)用場(chǎng)景可能需要不同的電壓。

輸出電平

指晶振輸出信號(hào)的電壓幅值或邏輯電平。常見(jiàn)的輸出電平類型有 TTL（晶體管 - 晶體管邏輯電平）、CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電平）、LVPECL（低電壓正射極耦合邏輯電平）、LVDS（低電壓差分信號(hào)電平）等。不同的輸出電平適用于不同的電路和設(shè)備，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

功耗

晶振在工作時(shí)所消耗的電能，對(duì)于一些對(duì)功耗要求較高的便攜式設(shè)備或電池供電設(shè)備，晶振的功耗是一個(gè)需要關(guān)注的指標(biāo)。

牽引范圍（針對(duì)壓控晶振 VCXO）

壓控晶振可以通過(guò)改變控制電壓來(lái)調(diào)整輸出頻率，牽引范圍是指輸出頻率相對(duì)于中心頻率的可調(diào)節(jié)范圍，通常用 ppm 表示。

工作溫度范圍

晶振能夠正常工作的溫度區(qū)間，例如常見(jiàn)的工業(yè)級(jí)晶振工作溫度范圍為 - 40℃至 85℃，而一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景可能需要更寬或更窄的溫度范圍。

封裝尺寸

晶振的物理封裝尺寸，常見(jiàn)的有 HC-49U、SMD3225、SMD5032 等，封裝尺寸會(huì)影響晶振在電路板上的占用空間以及安裝方式，在小型化電子設(shè)備中，封裝尺寸是一個(gè)重要的考慮因素。

相位噪聲

是對(duì)信號(hào)短期頻率穩(wěn)定度的一種度量，反映了晶振輸出信號(hào)的相位隨時(shí)間的隨機(jī)波動(dòng)程度。相位噪聲越低，說(shuō)明晶振的輸出信號(hào)越純凈、穩(wěn)定，對(duì)于一些對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的通信、雷達(dá)等系統(tǒng)，相位噪聲是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

抖動(dòng)

從時(shí)域角度衡量晶振輸出信號(hào)的短期頻率穩(wěn)定度，是指信號(hào)在某一平均頻率附近的微小變化，通常用皮秒（ps）或納秒（ns）來(lái)表示。抖動(dòng)越小，晶振的性能越好，對(duì)于高速數(shù)字電路和通信系統(tǒng)等對(duì)時(shí)鐘信號(hào)精度要求高的應(yīng)用，抖動(dòng)是一個(gè)重要的指標(biāo)。

 

晶振是一種利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的電子元件，在電子設(shè)備中具有極其重要的作用。實(shí)際系統(tǒng)需要時(shí)，根據(jù)使用場(chǎng)景以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，選取合適的晶振類型、晶振頻率、穩(wěn)定度等。