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晶振的工作事理-01_电容_谐振

萌界大人物 2024-11-11 15:03:49 0

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晶振一样平常指晶体振荡器,从一块石英晶体上按一定方位角切下的薄片,简称为晶片,然后在晶片封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。
其产品一样平常用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

常见晶体晶振实物如下图所示

晶振的工作事理-01_电容_谐振 智能

晶振事情事理

晶振的等效电路:

R是ESR串联等效阻抗,L和C分别是等效电感和电容,Cp为寄生电容。

晶振的电抗频谱线:

当晶振在串联谐振状态下事情时,线路表现为纯阻性,感抗即是容抗(XL=XC),串联谐振频率为:

当晶振在并联谐振状态下事情时,线路表现为纯感性。
在这种模式下,事情频率由晶振的负载决定。
对付并联谐振状态的晶振,晶振制造商该当指定负载电容CL。
在这种模式下,谐振频率:

等效电路还有一个反谐振频率fL(并联谐振频率),此时串联岔路支路呈现为感抗,相称于一个电感,如下图所示:

此时的频率如下图所示:

常日厂家的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL,实际的晶体元件运用于振荡电路中时,它一样平常还会与负载电容相联接,共同浸染使晶体事情于Fr和FL之间的某个频率,这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定,通过改变电路的电抗条件,就可以在有限的范围内调节晶体频率。

当负载电容与晶体串联时,如下图所示:

串接的小电容CL可以使石英晶体的谐振频率在一个小范围内调度,此时新的负载谐振频率如下式所示:

个中,C1远远小于C0+CL

当负载电容与晶体并联时,如下图所示:

同样,并联的负载CL也可以小范围调度谐振频率,相应的负载谐振频率如下式:

晶体本身是不能产生振荡旗子暗记的,必须借助于相应的外部振荡器电路才能实现,下图是一个串联型振荡器电路,个中,晶体管Q1、Q2构成的两级放大器,石英晶体X1与电容CL构成LC电路。
在这个电路中,石英晶体相称于一个电感,CL为可变电容器,调节其容量即可使电路进入谐振状态,输出波形为方波。

并联型振荡器电路如下图所示,一样平常单片机都会有这样的电路。
晶振的两个引脚与芯片(如单片机)内部的反相器相连接,再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2,组成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)

U1为增益很大的反相放大器,CL1、CL2为匹配电容,是电容三点式电路的分压电容,接地点便是分压点。
以接地点即分压点为参考点,输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看,形成一个正反馈以担保电路持续振荡,它们会轻微影响振荡频率,紧张用与微调频率和波形,并影响幅度。
X1是晶体,相称于三点式里面的电感

R1是反馈电阻(一样平常≥1MΩ),它使反相器在振荡初始时处于线性事情区,R2与匹配电容组成网络,供应180度相移,同时起到限定振荡幅度,防止反向器输出对晶振过驱动将其破坏。

这里涉及到晶振的一个非常主要的参数,即负载电容CL(Load capacitance),它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容(不是晶振外接的匹配电容),紧张影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,与晶体一起决定振荡器电路的事情频率,通过调度负载电容,就可以将振荡器的事情频率微调到标称值。

负载电容的公式如下所示:

个中,CS为晶体两个管脚间的寄生电容(Shunt Capacitance)

CD表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容,包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CO、外加匹配电容CL2,即CD=CPCB+CO+CL2

CG表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容,包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CI、外加匹配电容CL1,即CG=CPCB+CI+CL1

一样平常CS为1pF旁边,CI与CO一样平常为几个皮法,详细可参考芯片或晶振的数据手册

(这里假设CS=0.8pF,CI=CO=5pF,CPCB=4pF)。

比如规格书上的负载电容值为18pF,则有

则CD=CG=34.4pF,打算出来的匹配电容值CL1=CL2=25pF

有源晶振事理

有源晶振是将所有与无源晶振及干系的振荡电路封装在一个“盒子”里,不必手动精确匹配外围电路,不同的输出频率运用时,只须要采购一个相应频率的“盒子”即可,不再利用繁杂的公式打算来打算去,可以节省很多脑细胞做其它更多意义的事情。

封装后的“盒子”示意图如下所示:

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