12mhz晶振工作原理（晶振的工作原理-01）

什么是晶振

晶振一般指晶体振荡器，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。其产品一般用金属外壳封装，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

晶振工作原理

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工作时，线路表现为纯阻性，感抗等于容抗（XL=XC），串联谐振频率为：

当晶振在并联谐振状态下工作时，线路表现为纯感性。在这种模式下，工作频率由晶振的负载决定。对于并联谐振状态的晶振，晶振制造商应该指定负载电容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），此时串联支路呈现为感抗，相当于一个电感，如下图所示：

此时的频率如下图所示：

通常厂家的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL，实际的晶体元件应用于振荡电路中时，它一般还会与负载电容相联接，共同作用使晶体工作于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整，此时新的负载谐振频率如下式所示：

其中，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也可以小范围调整谐振频率，相应的负载谐振频率如下式：

晶体本身是不能产生振荡信号的，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，其中，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，石英晶体相当于一个电感，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，一般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，接地点就是分压点。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，形成一个正反馈以保证电路持续振荡，它们会稍微影响振荡频率，主要用与微调频率和波形，并影响幅度。 X1是晶体，相当于三点式里面的电感

R1是反馈电阻（一般≥1MΩ），它使反相器在振荡初始时处于线性工作区，R2与匹配电容组成网络，提供180度相移，同时起到限制振荡幅度，防止反向器输出对晶振过驱动将其损坏。

这里涉及到晶振的一个非常重要的参数，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），主要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工作频率，通过调整负载电容，就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。

负载电容的公式如下所示：

其中，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

一般CS为1pF左右，CI与CO一般为几个皮法，具体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，计算出来的匹配电容值CL1=CL2=25pF

有源晶振原理

有源晶振是将所有与无源晶振及相关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，不同的输出频率应用时，只需要采购一个相应频率的“盒子”即可，不再使用繁杂的公式计算来计算去，可以节省很多脑细胞做其它更多意义的工作。

封装后的“盒子”示意图如下所示：

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