晶振和電容、電阻有什么關系

凱越翔電子

晶振有很多參數，其中包括電容和電阻。這些參數究竟是什么，對晶振來說又有什么作用？

晶振的負載電容，負載電容是指晶振要正常震蕩所需要的電容。一般外接電容，是為了使晶振兩端的等效電容等于或接近負載電容。要求高的場合還要考慮ic輸入端的對地電容。一般晶振兩端所接電容是所要求的負載電容的兩倍。這樣并聯起來就接近負載電容了。

晶振的負載電容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C

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各種邏輯芯片的晶振引腳可以等效為電容三點式振蕩器。晶振引腳的內部通常是一個反相器, 或者是奇數個反相器串聯。在晶振輸出引腳XO和晶振輸入引腳 XI 之間用一個電阻連接, 對于CMOS芯片通常是數M到數十M歐之間。很多芯片的引腳內部已經包含了這個電阻, 引腳外部就不用接了。這個電阻是為了使反相器在振蕩初始時處與線性狀態, 反相器就如同一個有很大增益的放大器, 以便于起振。石英晶體也連接在晶振引腳的輸入和輸出之間, 等效為一個并聯諧振回路, 振蕩頻率應該是石英晶體的并聯諧振頻率。晶體旁邊的兩個電容接地, 實際上就是電容三點式電路的分壓電容, 接地點就是分壓點。以接地點即分壓點為參考點, 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的, 但從并聯諧振回路即石英晶體兩端來看, 形成一個正反饋以保證電路持續振蕩。在芯片設計時, 這兩個電容就已經形成了, 一般是兩個的容量相等, 容量大小依工藝和版圖而不同, 但終歸是比較小, 不一定適合很寬的頻率范圍。外接時大約是數PF到數十PF, 依頻率和石英晶體的特性而定。需要注意的是: 這兩個電容串聯的值是并聯在諧振回路上的, 會影響振蕩頻率。當兩個電容量相等時, 反饋系數是 0.5, 一般是可以滿足振蕩條件的, 但如果不易起振或振蕩不穩定可以減小輸入端對地電容量, 而增加輸出端的值以提高反饋量。

晶振輸入輸出連接的電阻作用是產生負反饋，保證放大器工作在高增益的線性區，同時起到限流的作用，防止反向器輸出對晶振過驅動，損壞晶振。這個電阻是為了使本來為邏輯反相器的器件工作在線性區, 以獲得增益, 在飽和區是沒有增益的, 而沒有增益是無法振蕩的。如果用芯片中的反相器來作振蕩, 必須外接這個電阻, 對于CMOS而言可以是1M以上, 對于TTL則比較復雜, 視不同類型而定。如果是芯片指定的晶振引腳, 如在某些微處理器中, 常常可以不加, 因為芯片內部已經制作了。

電阻的作用是將電路內部的反向器加一個反饋回路，形成放大器，當晶體并在其中會使反饋回路的交流等效按照晶體頻率諧振，由于晶體的Q值非常高，因此電阻在很大的范圍變化都不會影響輸出頻率。