晶振的作用是什么？振荡电路的工作原理和电路设计

石英晶体谐振器的功能是锁定电路的振荡频率，在电子电路中得到广泛使用。优秀的电路设计及周边元件配置，可以使晶体谐振器工作在良好的状态，客户电路的频率稳定度也会得到更好的保证。石英晶振分为有源的晶体振荡器和无源的晶体谐振器两种。
晶体振荡器也称为有源晶振 (Oscillator, OSC, XO)，只要电路提供直流电源电压即可输出振荡波形和频率。晶体谐振器也称无源晶振 (Crystal, X’tal)，需要电路里IC提供激励才能产生振荡。 如何才能让电路与晶体谐振器达到良好的匹配工作状态，电路设计工程师需要关注哪些内容呢？晶振厂商应达利带您深入了解以下几点：

• 振荡电路提供给晶体的负性阻抗
• 振荡电路给予晶体的激励功率
• 振荡电路的工作频率

振荡电路的负性阻抗为了保证振荡电路能够在足够短的时间内可靠起振，需要电路的负性阻抗-R足够大。-R越大，振荡器越容易起振，起振的时间也越短。晶体振荡电路的负性阻抗主要是整个振荡回路的增益gm来决定：根据 IEC60444-6 的说明及建议，振荡回路的负阻在大于或等于晶体Rr的3倍时，振荡回路的增益就可使振荡电路工作；若-R低于3倍时，会出现振荡电路与石英谐振器的匹配不良，容易出现不起振或振荡不稳定、间歇起振、振荡启动时间延长等问题。一般电路的负性阻抗-R能够达到5倍或以上，更利于电路的起振及频率的稳定。振荡电路的激励功率当电路通电，IC工作信号注入晶体，驱使晶体谐振器振荡时，内部的石英晶片会产生机械振荡，由于晶片的变形、震动和内部摩擦等，将会产生一些损耗。如果激励强度过小，容易出现起振困难，且信号的信噪比较差；而激励强度过大时，可能引起晶体的不可逆损坏。使用高频电流探头测试流过晶体电流Ix的有效值，可以算出电路给予晶体的激励功率DL ：DL=I²*RL ， RL=Rr*(1+Co/Cpcb)²Rr 是晶振的谐振阻抗，Co是晶振的静态电容，Cpcb是电路对晶体的负载电容。一般情况下，减小Cg，Cd或者增大Rd就可以降低电路的激励功率。驱动功率DL的合理范围：MHz DL=1~100uW；KHz DL<1uW

振荡电路的输出频率晶体振荡电路的作用是提供振荡频率，那么如何才能获得期望的输出频率呢？晶体谐振器在电路里的输出频率，是受到电路等效负载电容影响的，只有当振荡电路PCB 板上有效负载电容Cpcb，等于晶体谐振器的负载电容CL时，晶体工作时的条件才会与晶体供货商的负载相同，电路的输出频率才是晶体的负载谐振频率，此时可得出最理想的输出频率Fpcb： Fpcb=Fr*(1+C1/(2*(Co+Cpcb)))，  Fr=1/(2*π*Sqrt(C1*L1))振荡电路的PCB 板上有效负载电容C_pcb计算公式是：C_pcb= C1×C2/(C1+C2)+CsCs是 PCB 的杂散电容的总和：主要是由PCB的分布电容和 IC 内部的结电容构成，对晶体的振动频率及电路振荡稳定性有着极大的影响。

总之，当振荡电路的基本结构确定后，电路设计时工程师需要对电路的负性阻抗、激励功率、在板频率输出进行确认，通过对 C1、C2、Rd 的优化调节，得到理想晶体振荡电路设计，使振荡电路与晶体谐振器达成完美的匹配，消除潜在的不良因素，获得稳定的频率输出。了解更多，欢迎咨询应达利电子集团，应达利专业研发、生产和销售高精度、小尺寸石英晶体谐振器、石英晶体振荡器等频率元器件，主营产品包含自主封装材料SMCM系列、热敏晶体THR系列、32.768KHz低频音叉晶体、温补钟振TCXO、压控钟振VCXO、CMOS/LVDS/LVPECL输出钟振、可编程振荡器等，晶振尺寸小至1.2 X 1.0mm，大至5.0 X 3.2mm，频率范围涵盖32.768KHz ~ 200MH，可达0.5ppm高精度。应达利晶振产品已广泛应用于5G、智能家居、智能穿戴、消费电子、汽车电子（符合AEC-Q200）、通讯产业、医疗电子、安防行业、工业设备等行业。