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一、介绍

二、无源晶体

        如图1-1所示，石英晶体的压电谐振现象可以用等效电路来模拟，等效电路包括静态电容C0、动态电容C1、谐振电阻R1、以及动态电感L1，等效电路图如图：

图1-1：无源晶振等效模型

静态电容C0

        静态电容C0是指晶体两引脚之间的电容，以水晶为介质，由两个金属电极形成的电容，和晶片电极面积（晶体体积）大小和频率大小呈正比。静电容C0太高会产生较大的副波，影响频率稳定性。在实际测数据中，C0值控制在2pF上下时，晶振的输出稳定性可以得到保障。

        如果负载电容CL很大，静态电容C0的改变对频率变化的影响很小，频率更加稳定，所以负载高，远端相位噪声好；相反，如果负载电容CL很小，静电容C0的微小变化就会造成频率的明显变化，但近端相位噪声好，容易调整频率，晶振容易起振。

动态电容C1

        动态电容C1表征振荡能力，与晶片电极面积（或晶体体积）和频率大小呈正比。

谐振电阻R1

        谐振电阻R1表示晶体在固有谐振频率下的等效阻抗，与Q值成反比，而Q值是由生长的水晶料品质决定的。

        朝着无源晶振越来越小型化，谐振电阻R1也会增大，负载电容CL会降低。

内阻RR和ESR

        RR：晶振内阻/晶振电阻，是晶振本身的电阻值。RR越大，起振需要的功耗大，如果激励电平不变，内阻过大会造成起振困难。

        ESR：表征能耗，与Q值成反比。Q值是由生长的水晶料品质决定的，Q值越高，固有频率则越稳定。

动态电感L1

        动态电感L1表征振动质量，与频率大小成反比。

无源晶体的电路结构

        无源晶振由于自身无法输出频率，需要搭配外部放大电路输出频率。在并联型振荡器电路中，皮尔斯电路是射极接地的并联振荡电路，工作有效且稳定。

        如图1-2，皮尔斯振荡器Pierce Oscillator由晶振、芯片内部的反相放大器(Amp)、匹配电容C1和C2、以及电阻RF和Rd组成。

图1-2：无源晶振的典型结构

        其中反相部分形成一个放大电路Amp，驱动电流从XTAL流出，经过晶体自身从EXTAL流入，因此C1也叫Cg，C2叫Gd。

负载电容CL

        负载电容是设计晶体电路最为重要的参数之一，在串联谐振型电路中，不需要负载电容。晶体的频率会根据串联的电容电抗而改变，但在并联型谐振电路中必不可少。

        CL的值大，远端相位噪声好，如果过大，则会难调整到标称频率，不易起振。CL的值小，近端相位噪声好，容易调整频率，容易起振。晶体时钟的负载电容（CL）建议为8pF ~ 20pF。

        如果晶体两端的等效电容和标称负载电容存在差异，晶体输出的频率将会和标称工作频率产生偏差，叫做频偏。所以为了更接近晶体的负载电容CL，使晶体输出的频率则越精准，电路需要增加匹配电容CL1、CL2并考虑电路的杂散电容Cstray。电容器CL1和CL2靠近晶体XTI和XTO引脚，CL1和CL2可以由以下公式（公式1是通用公式，公式2是精确公式，建议使用公式2）来确定：

        其中CL是总的负载电容，CL1和CL2是匹配电容，Cs（Cstray）包括XTI/XTO引脚和PCB的寄生电容，通常预估为3 ~ 8pF。

反馈电阻RF

        反馈电阻RF有内置和外置两种，图1-2所示为外置，有的则是内置于主芯片中，此时晶振两端就不需要再加反馈电阻RF。

        芯片Xin和Xout内部一般是施密特反相器，反相器不能驱动晶体振荡，需要并联一个电阻，即RF。电阻完成输出信号反向180度反馈到输入端进行负反馈，构成负反馈放大电路（Amp）。如果没有加RF，晶振电路也可能会起振，但存在不起振或者停振的风险，反馈电阻RF需要确保晶振启动并保持其稳定，通常RF推荐值为1MΩ-2MΩ。

        小结：

1#：配合IC内部形成负反馈

2#：防止晶体被过分驱动

3#：降低谐振阻抗，容易启动

4#：电阻影响波形的脉宽

限流电阻Rd

        外部限流电阻Rd作用是限制晶振电路的驱动大小，防止晶体被过分驱动，导致晶体老化或者早期失效，并且阻尼电阻Rd还可以用于抑制电磁干扰辐射。

        Rd太小，晶振会承担太多功耗；Rd太大，电路起振条件不能满足，晶振无法正常工作。Rd的值不大，通常推荐值为0Ω-33Ω。根据主芯片的晶振波形幅度要求值，可以通过调整Rd的大小来调整晶振输出波形的振荡幅度。

小结：

1#：降低激励功率防止损坏

2#：限制振荡幅度。

三、有源晶振分类

晶振（Crystal Oscillator）是电子系统中提供稳定时钟信号的关键元件，根据不同的应用需求和工作环境，晶振可以分为多种类型。以下是四种常见晶振的详细介绍：

1. 普通晶振（XO, Crystal Oscillator）
- **定义**：普通晶振是最基本的晶振类型，由晶体和简单的振荡电路组成，提供固定的频率输出。
- **特点**：
  - **频率固定**：输出频率由晶体决定，不可调节。
  - **成本低**：结构简单，制造成本较低。
  - **频率稳定性一般**：受温度和电压影响较大，频率稳定性通常在±50ppm到±100ppm之间。
- **应用**：适用于对频率稳定性要求不高的场合，如消费电子、家用电器、普通微控制器等。
- **优点**：成本低，结构简单。
- **缺点**：频率稳定性较差，受环境因素影响大。

2. 温补晶振（TCXO, Temperature Compensated Crystal Oscillator）
- **定义**：温补晶振通过内置的温度补偿电路来减少温度变化对频率的影响，提高频率稳定性。
- **特点**：
  - **频率稳定性高**：通过温度补偿电路，频率稳定性可达到±0.5ppm到±5ppm。
  - **温度范围宽**：通常在-40°C到+85°C之间。
  - **成本较高**：由于增加了温度补偿电路，成本比普通晶振高。
- **应用**：适用于对频率稳定性要求较高的场合，如通信设备、导航系统、精密仪器等。
- **优点**：频率稳定性高，适应宽温度范围。
- **缺点**：成本较高，功耗相对较大。

3. 压控晶振（VCXO, Voltage Controlled Crystal Oscillator）
- **定义**：压控晶振通过外部电压来控制输出频率，频率可以在一定范围内调节。
- **特点**：
  - **频率可调**：通过改变外部控制电压，频率可以在一定范围内变化。
  - **频率稳定性一般**：频率稳定性通常在±20ppm到±100ppm之间。
  - **调频范围**：通常为±50ppm到±200ppm。
- **应用**：适用于需要频率调节的场合，如通信系统中的频率合成器、锁相环（PLL）电路等。
- **优点**：频率可调，适用于需要频率微调的应用。
- **缺点**：频率稳定性一般，调频范围有限。

4. 恒温晶振（OCXO, Oven Controlled Crystal Oscillator）
- **定义**：恒温晶振通过将晶体置于恒温槽中，保持恒定的温度环境，从而极大提高频率稳定性。
- **特点**：
  - **频率稳定性极高**：频率稳定性可达到±0.01ppm到±0.1ppm。
  - **温度控制**：内置恒温槽，保持晶体在恒定温度下工作。
  - **成本高**：由于复杂的温度控制电路和恒温槽，成本非常高。
  - **启动时间长**：需要较长时间达到稳定温度，启动时间通常在几分钟到十几分钟。
- **应用**：适用于对频率稳定性要求极高的场合，如基站、卫星通信、精密测量仪器等。
- **优点**：频率稳定性极高，适合高精度应用。
- **缺点**：成本高，体积大，功耗高，启动时间长。

 总结
- **普通晶振（XO）**：成本低，适用于一般应用。
- **温补晶振（TCXO）**：频率稳定性高，适用于宽温度范围和高稳定性要求的场合。
- **压控晶振（VCXO）**：频率可调，适用于需要频率微调的应用。
- **恒温晶振（OCXO）**：频率稳定性极高，适用于高精度和高稳定性要求的场合。

四、频率偏差

        频率偏差ppm（Parts Per Million，百万分之几）是一种表示频率误差的方式，它用来描述实际频率与标称频率之间的偏差。计算频率偏差ppm的公式如下：

        这里的“实际频率”是指振荡器实际输出的频率，“标称频率”是指振荡器设计的理论频率。

        例如，如果一个振荡器的标称频率是10MHz，实际输出的频率是10.001MHz，那么频率偏差就是0.001MHz。将其转换为ppm，计算如下：

        这意味着该振荡器的频率偏差是100ppm。

        在实际应用中，ppm值越小，表示晶振的精度越高，电路的反应也就越精准。降低ppm值通常需要采取一些措施，如选择高品质的晶振、温度补偿、优化PCB布局设计、确保稳定的电源供应、阻抗匹配、EMI/EMC抑制、定期校准以及在稳定的工作环境中使用晶振

参考资料

Analog series-OSC-1：无源晶振的基础

Analog series-OSC-2：无源晶振的特性参数

晶体和晶振的区别，读完这一篇你就懂了