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正确理解无源晶体参数及其负载电容的重要性

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正确理解无源晶体参数及其负载电容的重要性

正确理解无源晶体参数及其负载电容的重要性

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【摘要】:
正确理解无源晶体参数及其负载电容的重要性 

前言

很多工程师选择无源晶体时,会对它的参数有点模糊,每个厂家标定的又有些区别。尤其很多人常常搞混负载电容的意思。今天我们把复杂的问题简单化,说说晶体的主要参数。

 

首先我们要清楚晶振它是干什么的,它全称晶体振荡器,它能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须要的时钟频率信号,CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的,其信号频率越高,通常CPU的运行速度也就越快。你买的手机CPU显示的主频,都是基于晶振能力说明的。凡是包含CPU的电子产品,其中至少含有一个时钟源,包括许多其他的震荡器,即使你没有看见,那也是晶振在芯片内部被集成了。往往晶振被人们称之为电路系统的心脏。一旦心脏停止跳动,整块电路板可能出现瘫痪的状况。因此晶振的质量问题是很多厂商放在第一位的最终抉择的考虑基础!

 

那么晶振质量的好坏由什么决定了呢?有的人说,频率精度,功耗水平,使用寿命,温度漂移,外包装,又或者产品印字标识等等。这一切真的能有助于我们分辨晶振的好坏吗?一般像晶振这样的电子元器件拿在手上我们是无法判断其好坏程度的,通常晶振人所指的坏即是在电路工作中晶振不起振,或者时而稳定时而不稳定的现象!那么这一切现象终究是归根于质量问题还是晶振参数?

 

所以今天我们讲讲关于无源晶体的几个重要参数

1晶体元件频率 Nominal Frequency

Nominal Frequency晶体元件频率,也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数。晶振常用标称频率在1~200MHz之间,比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等,更高的输出频率也常用PLL(锁相环)将低频进行倍频至1GHz以上。我们称之为标称频率。

2 频率误差 Frequency Tolerance

输出信号的频率不可避免会有一定的偏差,我们用频率误差(Frequency Tolerance)或频率稳定度(Frequency Stability),用单位ppm来表示,即百万分之一(parts per million)(10-6),是相对标称频率的变化量,此值越小表示精度越高。比如,12MHz晶振偏差为±20ppm,表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz,即频率范围是(11999760~12000240Hz)

3 温度频差 Frequency Stability vs Temp

还有一个温度频差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定温度范围内,工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离,它的单位也是ppm。

4 负载电容 CL Load capacitance

这就是我们今天主要说明的参数,这个关系到震荡回路能否正常的外围可调整器件。

它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容,注意这个不是晶振外接的匹配电容,很多人搞混这个。

所以我们这里要清楚两个感念,负载电容和外接电容。

上图Cg和Cd是外接电容,Cs是整个震荡回路的寄生电容,经验值一般是3pf左右。

晶体负载电容CL,就是晶体规格书标出的值,是指整个外围电容有效电容的总和。

CL和外接电容关系如下:

就是说,当两个外接电容串联值,在加上电路寄生的电容值,整个容值的和为CL时,输出频率才是规格书的标定频率。

 

比如你选用爱普生的一款无源晶体,数据如下图:

24MHz 9pf +-10ppm

这里的9pf就是CL,即负载电容,

怎么理解这个条件呢?就是当环境温度是25度左右时,IC的驱动功率没问题,而且当外围有效电容总和是9pf时,输出频率才是标定频率24MHz +-10ppm。

知道了负载电容的作用,我们就可以通过调整外接电容的容值,来微调震荡回路的输出频率了。

5 动态电阻 Motional resistance

Motional resistance 动态电阻,也叫等效电阻ESR,或者叫内阻R1.。这个名字比较多,但都是一个意思,不要搞混了。这个值越小越好,越小晶体越容易起振。但是越小制造的技术和工艺水平的要求就越高,价格也就越高啦。