電子基礎(chǔ)知識-晶振

一、晶振

晶振在電路板中隨處可見，只要用到處理器的地方就必定有晶振的存在，即使

沒有外部晶振，芯片內(nèi)部也有晶振。

1、晶振概述

晶振一般指晶體振蕩器。晶體振蕩器是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下

薄片（簡稱為晶片），石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振；而在

封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬

外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

2、晶振的工作原理

石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)

成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個對應(yīng)面上涂

敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就

構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外

殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶

片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱

為壓電效應(yīng)。

未施加電場時外加電場外加反向電場

如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時晶片的機(jī)械振

動又會產(chǎn)生交變電場。

在一般情況下，晶片機(jī)械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交

變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，

這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶

片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

當(dāng)晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶

片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個pF到幾十pF。當(dāng)晶體振蕩時，機(jī)械

振動的慣性可用電感L來等效。

一般L的值為幾十mH到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，

一般只有0.0002~O.lpF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)

值約為100Qo

由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，

可達(dá)1000~10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾

何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路

可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

計(jì)算機(jī)都有個計(jì)時電路，盡管一般使用“時鐘”這個詞來表示這些設(shè)備，但它

們實(shí)際上并不是通常意義的時鐘，把它們稱為計(jì)時器可能更恰當(dāng)一點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)的計(jì)時器通常是一個精密加工過的石英晶體，石英晶體在其張力限度內(nèi)

以一定的頻率振蕩，這種頻率取決于晶體本身如何切割及具受到張力的大小。

有兩個寄存器與每個石英晶體相關(guān)聯(lián)，一個計(jì)數(shù)器和一個保持寄存器。

石英晶體的每次振蕩使計(jì)數(shù)器減1。當(dāng)計(jì)數(shù)器減為。時，產(chǎn)生一個中斷，計(jì)數(shù)器

從保持寄存器中重新裝入初始值。這種方法使得對一個計(jì)時器進(jìn)行編程，令其

每秒產(chǎn)生60次中斷（或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷）成為可能。每次中

斷稱為一個時鐘嘀嗒。

晶振在電氣上可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò),

電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯(lián)諧振,

較高的頻率為并聯(lián)諧振。

由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個極窄的頻率范

圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組

成并聯(lián)諧振電路。

這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶

振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩

器的頻率也不會有很大的變化。

晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電

容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。

一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器的兩端接入晶振，再有兩個電容分

別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就

應(yīng)該等于負(fù)載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。

一般的晶振的負(fù)載電容為15pF或12.5PF,如果再考慮元件引腳的等效輸入電容,

則兩個22pF的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。

3、常見種類

我們常說的晶振，包含兩種：晶振諧振器、晶振振蕩器。

一種需要加驅(qū)動電路才能產(chǎn)生頻率信號，這類晶振叫晶振諧振器，比如常見的

49s封裝、兩腳封裝的SMD32255032、少量四腳SMD封裝。

一種不用加驅(qū)動電路，只需要加上電壓信號，就能夠產(chǎn)生頻率信號，這種叫做

晶振振蕩器，基本上都是4腳封裝，含有電源引腳、地引腳、頻率輸出引腳等。

4、主要參數(shù)選擇

這里我們主要針對晶振諧振器，一般晶振的主要參數(shù)有：核心頻率、工作溫度、

精度值、等效串聯(lián)阻抗、匹配電容、封裝形式等等。

晶振的核心頻率：一般核心頻率的選擇取決于頻率需求元件的要求，比如時鐘

芯片就需要32.768KHZ的晶振，MCU一般是一個范圍，基本上從4M到幾十M

都有。

晶振的工作溫度：之所以把工作溫度單獨(dú)拿出來，主要是由于晶振是個物理的

器件，工作溫度與價格是成正比，工作溫度要求越高，價格越高，所以選擇晶

振時也需要重點(diǎn)考慮工作溫度。

晶振的精度值：精度一般常見的有、、

0.5ppm±5ppm±10ppms±20ppms±

50ppm等等。

其中0.5ppm國內(nèi)的目前只有通過數(shù)字補(bǔ)償?shù)牟拍茏龅剑瑖獾挠性?225甚至

2016上實(shí)現(xiàn)高精度。

精度的選擇一般要參考頻率需求器件對精度的要求，比如高精度的時鐘芯片一

般在±5ppm以內(nèi)，普通的應(yīng)用都選擇在±20ppm左右。

晶振的等效串聯(lián)阻抗：這個參數(shù)主要是與驅(qū)動能力有關(guān)系，也就是說跟驅(qū)動電

流有關(guān)系。

等效電阻小則需要的驅(qū)動電流就小。對外部驅(qū)動電路的適應(yīng)能力就越高。

晶振的匹配電容：通過改變匹配電容的參數(shù)值，可以改變晶振的核心頻率，也

就是說可以通過調(diào)整晶振的匹配電容來對精度做微調(diào)，這也是目前國內(nèi)做高精

度溫補(bǔ)晶振的主要辦法。

5、封裝形式

目前晶振的封裝形式是多樣的，需要根據(jù)自己的實(shí)際情況來進(jìn)行選擇，主要是

根據(jù)板子的空間、加工方式、成本等方面來考慮。

6常見注意事項(xiàng)

一般來說，晶振是一個系統(tǒng)的核心器件，晶振的好壞直接關(guān)系整個系統(tǒng)的穩(wěn)定

性，需要注意的主要有以下幾點(diǎn)。

與加工工藝有關(guān)系的有以下兩個方面：

一個是過高溫的回流焊，由于晶振是個物理器件，在過回流焊的時候高溫可能

會對晶振的頻率造成一定的影響，偏離核心頻率，這個在使用K級別晶振的時

候需要特別注意。

一個是清洗流程中的超聲波清洗，這個主要是超聲波頻率如果落在晶振的

工作頻率上就可能引起晶振的共振，導(dǎo)致晶振內(nèi)部的晶片碎掉，出現(xiàn)不良。

通常應(yīng)用上需要注意的是讓晶振工作在穩(wěn)定狀態(tài)，很多出現(xiàn)品振失效的情

況都是晶振長期工作在過驅(qū)動或者是欠驅(qū)動狀態(tài)，這個可以通過查看晶振的輸

出引腳波形可以分析，

過驅(qū)動可能導(dǎo)致晶振達(dá)不到正常的使用壽命，欠驅(qū)動可能導(dǎo)致晶振的抗干

擾能力減弱，系統(tǒng)常常無故丟時鐘。

7、抗干擾設(shè)計(jì)

由于晶振是個小信號器件，很容易受到外部的干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)時鐘出

現(xiàn)問題。

這塊主要從兩個方面處理：

（1）一個是layout上注意晶振時鐘信號的處理，常用的是包地處理。

（2）一個是對板上其他頻率器件的處理，這個就需要做好不同頻率間的隔

離處理。

二、晶振與晶體的區(qū)別

1）晶振是有源晶振的簡稱,又叫振蕩器c英文名稱是oscillator。晶體則

是無源晶振的簡稱，也叫諧振器。英文名稱是crystal,電路上簡稱為XTAL。

2）無源晶振（晶體）一般是直插兩個腳的無極性元件，需要借助時鐘電路

才能產(chǎn)生振蕩信號。常見的有49U、49s封裝。

3）有源晶振（晶振）一般是表貼四個腳的封裝，內(nèi)部有時鐘電路，只需供

電便可產(chǎn)生振蕩信號。一般分7050、5032、3225、2520幾種封裝形式。

晶體為無源的，一般是兩個管腳，需要專門的時鐘電路才可起振，像普通

的單片機(jī)需外接晶體和兩個電容。晶振為有源的（也稱有源晶振），可以認(rèn)為

是晶體和外圍電路的結(jié)合（晶振里面包含了晶體和起振電路）。一般是四個腿,

有的有源晶振為單端輸出，有的為差分輸出。

有源晶振（簡稱晶振）一般是4個腳的封裝，例如5032封裝的貼片有源晶

振:

其中有兩個是電源引腳，另一個是振蕩信號輸出引腳，剩下一個是懸空的。

信號輸出引腳可以直接輸出給單片機(jī)。

無源品振（簡稱晶體）就是最常見的兩腳封裝：

這個平時使用的時候也叫做晶振，但是是不準(zhǔn)確的，這個應(yīng)該叫做晶體，

或者叫無源晶振。這個需要專門的時鐘電路和起振電容配合才能輸出時鐘信號。

以STM32單片機(jī)為例，其OSC」N和OSJOUT是外部時鐘源HSE的輸入引腳，

STM32的HSE時鐘可以使用晶體或者晶振提供時鐘源:

6.2.1HSE時鐘

高速外部時鐘信號(HSE)由以下兩種時鐘源產(chǎn)生：

?HSE外部晶體/陶癥諧振器

?HSE用戶外部時鐘

為了減少時鐘輸出的失真和縮短啟動穩(wěn)定時間，晶體/陶克諧振器和負(fù)載電容器必須盡可能地靠

近振蕩器用腳。負(fù)載電容值必須根據(jù)所選擇的振蕩器來調(diào)整。

我們知道晶體和晶振的區(qū)別就是在于有沒有時鐘電路，所以當(dāng)使用外部晶

體的話，STM32內(nèi)部的HSE會提供時鐘電路，和晶體連在一起相當(dāng)于組成一個有

源晶振。當(dāng)使用外部有源晶振的時候，內(nèi)部的時鐘電路就沒有必要了，直接將

有源晶振的時鐘輸出引腳直接接到OSC」N引腳，OSC_OUT引腳懸空即可，同時

軟件上需要將USE的時鐘電路旁路掉，也就是說外部有源晶振的輸入時鐘信號

直接供給STM32的時鐘樹，詳情可以參考數(shù)據(jù)手冊的時鐘章節(jié)。

三、單片機(jī)晶振電路中22pF和30pF電容的作用

單片機(jī)和其他一些IC的振蕩電路的真名叫“三點(diǎn)式電容振蕩電路”，如下

圖

Y1是晶體，相當(dāng)于三點(diǎn)式里面的電感,C1和C2就是電容,5404非門和R1

實(shí)現(xiàn)一個NPN的三極管，接下來分析一下這個電路。

5404必需要一個電阻，不然它處于飽和截止區(qū)，而不是放大區(qū)，R1相當(dāng)于

三極管的偏置作用，讓5404處于放大區(qū)域，那么5404就是一個反相器，這個

就實(shí)現(xiàn)了NPN三極管的作用，NPN三極管在共發(fā)射極接法時也是一個反相器。

大家知道一個正弦振蕩電路要振蕩的條件是，系統(tǒng)放大倍數(shù)大于1,這個容

易實(shí)現(xiàn)，相位滿足360度，與晶振振蕩頻率相同的很小的振蕩就被放大了。接

下來主要講解這個相位問題：

5404因?yàn)槭欠聪嗥鳎簿褪钦f實(shí)現(xiàn)了180°移相，那么就需要Cl,C2和Y1

實(shí)現(xiàn)180°移相就可以，恰好，當(dāng)Cl,C2,Y1形成諧振時，能夠?qū)崿F(xiàn)180°移

相，這個大家可以解方程等，把Y1當(dāng)作一個電感來做。也可以用電容電感的特

性，比如電容電壓落后電流90°,電感電壓超前電流90°來分析，都是可以的。

當(dāng)C1增大時,C2端的振幅增強(qiáng)，當(dāng)C2降低時，振幅也增強(qiáng)。有些時候Cl,C2

不焊也能起振，這個不是說沒有Cl,C2,而是因?yàn)樾酒_的分布電容引起的,

因?yàn)楸緛磉@個CLC2就不需要很大，所以這一點(diǎn)很重要。接下來分析這兩個電

容對振蕩穩(wěn)定性的影響。

因?yàn)?404的電壓反饋是靠C2的，假設(shè)C2過大，反饋電壓過低，這個也是

不穩(wěn)定，假設(shè)C2過小，反饋電壓過高，儲存能量過少，容易受外界干擾，也會

輻射影響外界。C1的作用對C2恰好相反。因?yàn)槲覀儾及宓臅r候，假設(shè)雙面板，

比較厚的，那么分布電容的影響不是很大，假設(shè)在高密度多層板時，就需要考

慮分布電容。

有些用于工控的項(xiàng)目，建議不要用無源晶振的方法來起振，而是直接接有

源晶振。也是主要由于無源晶振需要起振的原因，而工控項(xiàng)目要求穩(wěn)定性要好,

所以會直接用有源晶振。在有頻率越高的頻率的晶振，穩(wěn)定度不高，所以在速

度要求不高的情況下會使用頻率較低的晶振。很多時候大家會采用32.768K的

時鐘晶體來做時鐘，而不是通過單片機(jī)的晶體分頻來做時鐘，其中原因想必很

多人也不明白，其實(shí)上這是和晶體的穩(wěn)定度有關(guān)：頻率越高的晶體，Q值?般難

以做高，頻率穩(wěn)定度也比較差；而32.768K晶體在穩(wěn)定度等各方面的性能表現(xiàn)

都不錯，還形成了一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比較容易做高。另外值得一提的是，32.768K

是16bit數(shù)據(jù)的一半，預(yù)留最高1bit進(jìn)位標(biāo)志，用作定時計(jì)數(shù)器內(nèi)部數(shù)字計(jì)

算處理也非常方便。

四、晶振不能放置在PCB邊緣的作用

1、問題描述

某行車記錄儀，測試的時候要加一個外接適配器，在機(jī)器上電運(yùn)行測試時

發(fā)現(xiàn)超標(biāo)，具體頻點(diǎn)是84MHZ、144MH、168MHZ,需要分析其輻射超標(biāo)產(chǎn)生的原

因，并給出相應(yīng)的對策。

輻射測試數(shù)據(jù)如下：

2、輻射源頭分析

該產(chǎn)品只有一塊PCB,其上有一個12MHZ的晶體。

其中超標(biāo)頻點(diǎn)恰好都是12MHZ的倍頻，而分析該機(jī)器容易EMI輻射超標(biāo)的

屏和攝像頭，發(fā)現(xiàn)LCD-CLK是33MHZ,而攝像頭MCLK是24MHZ；

通過排除發(fā)現(xiàn)去掉攝像頭后，超標(biāo)點(diǎn)依然存在，而通過屏蔽12MZH晶體，

超標(biāo)點(diǎn)有降低，由此判斷144MHz超標(biāo)點(diǎn)與晶體有關(guān)，PCB布局如下:

從PCB布局可以看出，12MHZ的晶體正好布置在了PCB邊緣，當(dāng)產(chǎn)品放置與

輻射發(fā)射的測試環(huán)境中時，被測產(chǎn)品的高速器件與實(shí)驗(yàn)室中參考接地會形成一

定的容性耦合，產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致出現(xiàn)共模輻射，寄生電容越大，共模輻射

越強(qiáng)；

而寄生電容實(shí)質(zhì)就是晶體與參考地之間的電場分布，當(dāng)兩者之間電壓恒定

時，兩者之間電場分布越多，兩者之間電場強(qiáng)度就越大，寄生電容也會越大，

晶體在PCB邊緣與在PCB中間時電場分布如下:

參考接地板

PCB邊緣的晶振與參考接地板之間的電場分布示意圖

沒有電場到參考地板，電場在晶振與參考接地板之間

爵援與PCB工作地之間形成的電場，為寄生電

晶強(qiáng)容的原因/

7\/\/\z\/V/\

PCB工作地

翳考接地板

PCB中間的晶振與參考接地板之間的電場分布示意圖

從圖中可以看出，當(dāng)晶振布置在PCB中間，或離PCB邊緣較遠(yuǎn)時，由于PCB

中工作地（GND）平面的存在，使大部分的電場控制在晶振與工作地之間，即在

PCB內(nèi)部，分布到參考接地板去的電場大大減小，導(dǎo)致輻射發(fā)射就降低了。

4、處理措施

將晶振內(nèi)移，使其離PCB邊緣至少1cm以上的距離，并在PCB表層離晶振

1cm的范圍內(nèi)敷銅，同時把表層的銅通過過孔與PCB地平面相連。

經(jīng)過修改后的測試結(jié)果頻譜圖如下，從圖可以看出，輻射發(fā)射有了明顯改

5、思考與啟示

高速的印制線或器件與參考接地板之間的容性耦合，會產(chǎn)生EMI問題，敏

感印制線或器件布置在PCB邊緣會產(chǎn)生抗擾度問題。

如果設(shè)計(jì)中由于其他一些原因一定要布置在PCB邊緣，那么可以在印制線

邊上再布一根工作地線，并多增加過孔將此工作地線與工作地平面相連。

晶振不起振造成整機(jī)無電的原因有：

?晶體本身原因：晶片碎裂、寄生、DLD不良、阻抗過大、頻率不良、晶

體牽引力不足或過大。

?電路原因：其他元件不良、負(fù)載電容或電路設(shè)計(jì)或加工造成的雜散電容