【知識科普】晶振究竟是如何起振的？

攻城獅華哥

在我們生存的世界，萬物運動不止。從宇宙太陽系，到一個人、一個元器件等，都以各種形式時刻運行著。但問題來了，萬物運動的原動力是什么呢？

此外省略一萬字...

emmm...要不先來個簡單的，先搞懂搞懂晶振起振的原動力。

01  是誰?先敲動晶振的“心”？

晶振是電路中可以提供高度穩定時鐘信號的元器件。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步，一起“干大事”。比如在我們常用的計算機系統中，晶振可比喻為各板卡的“心跳”發生器，如果主卡的“心跳”出現問題，必定會使其他各電路出現故障。

人體的心跳搏動，離不開血液。晶振也是一樣，離不開電流。所以簡單來說，晶振起振的原動力是——電，我們需要把一個晶振放在完整的電路中，并給電路供上電，產生回路電流，晶振自此開始穩定有節奏的“跳動”。

晶振在紅綠燈系統提供時鐘信號

當然，這個起振回路也是有講究的(有源晶振內嵌起振回路，無源晶振需外接起振回路)，它需要遵循“巴克毫森穩定性準則”。

02  什么是巴克毫森穩定性準則？

巴克豪森穩定性準則，由德國物理學家巴克豪森(Heinrich Georg Barkhausen)于1921年提出的準則——電子振蕩器系統信號由輸入到輸出再反饋到輸入的相差為360°，且環路增益≥1，為振蕩器起振的必要條件。

一個簡單振蕩器想產生周期性的振蕩，通常是以電壓形式的輸出，在持續不斷地輸出的同時，需要加入放大器以產生持續的反饋給到輸入，由于放大器本身的輸出在高頻時相移太大會使整個反饋變成正的，從而產生振蕩。

負反饋系統

當環路增益≥1時，說明輸入信號在環路中逛一圈后又送到輸入端，信號幅度比原來更大。

相位為360°，說明輸入信號在電路中逛一圈后，相位與原本的輸入信號完全相同，因此輸入信號被完美的加強了。

兩者結合，信號經過反復放大后不斷增大，當環路中的信號幅度增大到一定程度后，振蕩器中的有源器件(晶振電路中的反相器)存在的非線性會限制幅度的繼續增加，使得振蕩器的輸出達到穩定。通俗說就是振蕩的幅值肯定超不過電源電壓。

03  如何判斷晶振是否起振？

1、用示波器看波形

用示波器看波形是最直接的方法。因晶振波形的占空比為50%，所以測得的平均電壓為1/2Vcc左右。

8MHz晶振的正常波形

晶振波形一般是正弦波或者方波，當輸出波形是方波時，一般上升沿比較陡峭，且包含了較多的高頻信號，這個時候就要保證測試的帶寬足夠，理論值是帶寬是被測信號頻率的2倍，實際測試方波時帶寬應該是被測信號頻率的10倍。

除了帶寬之外，在測試晶振時，還有一點應該重點注意：晶振對電容負載較敏感，探頭電容相對較大，相當于一個很重的負載并聯在晶振電路中，容易導致電路停振而得不出正確的測量結果。所以在進行晶振測試的時候，需要保證足夠的帶寬和較小的輸入電容。

2、用數字萬用表的電壓

檔測電壓無源晶振具備兩個管腳：頻率輸入腳與頻率輸出腳。若晶振已經起振，說明這兩個管腳之間必然存在電壓差，這樣才會有流經的電流對晶片產生激勵功率。所以，我們可以用萬用表的直流電壓檔，測量晶振兩個引腳的電壓。起振的時候，晶振兩端的電壓一般為芯片供電電壓Vcc的一半。

但這里要注意，若芯片不良，則無法捕捉到晶振正在提供給它的正確的時鐘信號。在這種情況之下，我們容易對晶振是否起振做出誤判。

3、使用頻率計測試

使用頻率計測量晶振頻率輸出腳位時，若有正常的波形(常見為方波，溫補晶振有削峰正弦波輸出)或正常頻率信號輸出，則可視為該晶振已經正常起振。

最后，聽聲音判斷晶振是否起振的方法，并不可靠。因為晶體的振蕩頻率遠超人耳能夠聽見的頻率上限，有時能夠聽到反而是有問題的，說明晶體質量不佳，更多的時候，正常工作的晶體是不會發出任何人耳能聽到的聲音的，有時聲音來自外電路元件。

晶振是電路中必不可少的電子元器件，主要有無線數據傳輸和計時兩種用途。但我國晶振行業起步較晚，目前國產晶振以中低端晶振產品為主，高端晶振主要依靠國外進口。隨著國內5G、新能源產業的迅速發展，國內晶振需求量快速增長，國內廠商正奮力追趕，加快國產替代進程。