一文讀懂晶振

晶振，一般指石英晶體振蕩器，是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。

石英晶體具有壓電效應(yīng)，若在晶體的兩個電極上加上一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形；反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場。

當在晶片的兩極上加交變電壓時，晶片會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅會明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。晶振的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

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。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。

分類；

無源晶振

也稱為晶體諧振器，需要用 IC 片內(nèi)的振蕩器。它沒有電壓的問題，信號電平是可變的，可適用于多種電壓，價格通常較低。但無源晶振需要外接電容、電阻等元件來組成振蕩電路，起振時間相對較長，并且頻率穩(wěn)定性相對較差。

有源晶振

不需要 IC 的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好、比較穩(wěn)定，連接方式相對簡單（通常做好電源濾波即可）。有源晶振有電源、地和時鐘輸出引腳，內(nèi)部有晶體和振蕩電路，頻率在出廠時已校準。不過其信號電平是固定的，靈活性較差，而且價格相對較高。

其他特殊類型：如溫補晶振（TCXO），通過外圍電路對石英晶體的頻率進行溫度補償，使其在不同溫度下仍能保持較高的頻率穩(wěn)定性；恒溫晶振（OCXO），利用恒溫槽使石英晶體工作在恒溫環(huán)境下，具有極高的頻率精度和穩(wěn)定性。

晶振的指標主要包括以下方面：

中心頻率

指晶振輸出的標準頻率值，單位為赫茲（Hz）、千赫茲（kHz）或兆赫茲（MHz）等，常見的如 32.768kHz、12MHz、24MHz 等。該頻率是晶振最基本的參數(shù)，不同的應(yīng)用場景會需要不同的中心頻率。

頻率精度/準確度

在常溫（25℃）環(huán)境下，晶振輸出頻率與標稱中心頻率的偏差。通常用百萬分之一（ppm）來表示，數(shù)值越小，精度越高。例如，±10ppm 的晶振意味著其輸出頻率與標稱頻率的偏差在百萬分之十以內(nèi)。

頻率穩(wěn)定度

衡量晶振輸出頻率在工作過程中因溫度、電壓、負載等因素變化而產(chǎn)生的頻率波動大小。也是用 ppm 來表示，例如在 - 40℃至 85℃的溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定度為 ±50ppm，表示在該溫度區(qū)間內(nèi)，晶振的頻率相對于標稱頻率的變化范圍在百萬分之五十以內(nèi)。一般來說，溫補晶振（TCXO）和恒溫晶振（OCXO）的頻率穩(wěn)定度較高。

頻率老化率

晶振在長時間使用過程中，輸出頻率會隨著時間的推移而發(fā)生緩慢變化，通常以每年百萬分之幾（ppm / 年）來表示。例如，某晶振的老化率為 ±3ppm / 年，意味著在第一年的常溫條件下，其頻率相對于初始頻率的變化在百萬分之三以內(nèi)。

工作電壓

有源晶振需要外部電源供電，工作電壓是其正常工作所需的電壓值，常見的有 1.8V、2.5V、3.3V、5.0V 等。不同的晶振類型和應(yīng)用場景可能需要不同的電壓。

輸出電平

指晶振輸出信號的電壓幅值或邏輯電平。常見的輸出電平類型有 TTL（晶體管 - 晶體管邏輯電平）、CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平）、LVPECL（低電壓正射極耦合邏輯電平）、LVDS（低電壓差分信號電平）等。不同的輸出電平適用于不同的電路和設(shè)備，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進行選擇。

功耗

晶振在工作時所消耗的電能，對于一些對功耗要求較高的便攜式設(shè)備或電池供電設(shè)備，晶振的功耗是一個需要關(guān)注的指標。

牽引范圍（針對壓控晶振 VCXO）

壓控晶振可以通過改變控制電壓來調(diào)整輸出頻率，牽引范圍是指輸出頻率相對于中心頻率的可調(diào)節(jié)范圍，通常用 ppm 表示。

工作溫度范圍

晶振能夠正常工作的溫度區(qū)間，例如常見的工業(yè)級晶振工作溫度范圍為 - 40℃至 85℃，而一些特殊應(yīng)用場景可能需要更寬或更窄的溫度范圍。

封裝尺寸

晶振的物理封裝尺寸，常見的有 HC-49U、SMD3225、SMD5032 等，封裝尺寸會影響晶振在電路板上的占用空間以及安裝方式，在小型化電子設(shè)備中，封裝尺寸是一個重要的考慮因素。

相位噪聲

是對信號短期頻率穩(wěn)定度的一種度量，反映了晶振輸出信號的相位隨時間的隨機波動程度。相位噪聲越低，說明晶振的輸出信號越純凈、穩(wěn)定，對于一些對信號質(zhì)量要求較高的通信、雷達等系統(tǒng)，相位噪聲是一個關(guān)鍵指標。

抖動

從時域角度衡量晶振輸出信號的短期頻率穩(wěn)定度，是指信號在某一平均頻率附近的微小變化，通常用皮秒（ps）或納秒（ns）來表示。抖動越小，晶振的性能越好，對于高速數(shù)字電路和通信系統(tǒng)等對時鐘信號精度要求高的應(yīng)用，抖動是一個重要的指標。

 

晶振是一種利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的電子元件，在電子設(shè)備中具有極其重要的作用。實際系統(tǒng)需要時，根據(jù)使用場景以及系統(tǒng)設(shè)計需求，選取合適的晶振類型、晶振頻率、穩(wěn)定度等。