【经验】晶振在电子设计中的作用及选用晶振需注意的问题

时间： 2016-06-01 来源：技术大神活动文章

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晶振是电子产品不可或缺的一部分，准确可靠的震荡频率是产品稳定性的基础。晶振对电路板的角色好比心脏于人，其重要性不言而喻。

既然晶振如此重要，那么晶振到底在电子设计中起什么作用呢？

拿单片机系统来说，晶振结合单片机内部电路产生单片机程序运行所必需的时钟频率，单片机的程序指令都是以这一频率作为时间基础，晶振频率越高，单片机运行的越快。举个简单的例子，人的一生好比单片机的程序，人类自定义了秒、分、时、日、月、年等，这些就好比晶振的频率，人的一生如果按年算，则转的相当快，如果按秒数就会长很多。人的生活会遵循着时间频率运转，单片机的程序则会遵循晶振提供的频率运行。

那么晶振何以完成这么重要的任务呢？还得从晶振的生辰说起。晶振是石英晶体谐振器的简称，晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。下图是晶振的电路符号和其等效电路。

图1：晶振的电路符号和其等效电路

其中C1称为动态电容，L1称为动态电感，R1称为动态电阻，C0是静态电阻。这个等效电路里最有用的零相位频率，其中一个是谐振频率，一个是反谐振频率，在实际应用中往往会与一个负载电容相连，这样就可以得到一个介于谐振频率和反谐振频率之间的一个频率。

针对晶振的特性，在选用晶振的时候，一般需要注意几个问题，而这些问题往往被设计人员忽略。

1）负载电容
负载电容也就是我们常说的起振电容，他与晶振一起决定负载谐振频率。负载电容的大小一般是10pF、15pF 、20pF、30pF等，用户可以根据实际使用情况，对其进行适当调整，用来微调负载谐振频率。需要用户注意的是，当生产厂家规定的负载电容很小时，±0.5pF的电路实际电容的偏差就能产生±10×10-6的频率误差。因此，负载电容是一个非常重要的订货规范指标。

2）调整频差
调整频差是指在标准温度下，实际工作频率与标称值最大允许偏离。这个参数描述晶振好坏的一个重要参数。

3）温度频差
温度频差是指在整个温度范围内，相对于标准温度时频率的最大偏离值。这个在对环境温度要求比较复杂的工业设备设计时一定要注意。

4）老化
晶振的实际频率会随着时间的推移而变化，所以对晶振的老化也是产品设计中需要考虑的。
设计中出了晶振本身的稳定性和质量以外，在电路Layout的时候也有几点需要注意：
•对于20MHz以下的晶振，因其都是基频的器件，稳定度较好，但超过20MHz大多都是谐波的，相比较稳定较差，所以在设计的时候尽量选用低频晶振，然后通过PLL等倍频。
•晶振布局的时候一定靠近芯片的时钟管脚，且走线尽量宽和短。与其他干扰线尽量避开。
•晶振走线最好走内层，并且周围用地线进行保护。

除了设计以外，选材的时候尽量选择大厂的产品，例如EPSON的晶振。Epson的SG-210S*H系列”石英晶体振荡器以高稳定的基波激发80MHz至170MHz的高频带振荡。且Epson拥有将石英材料与“MEM”相组合的“QMEMS”技术。大品牌的厂家除了技术高端以外，相应的出货量也相对较大，所以产品的一致性必须有保证才行。

晶振虽说是一个小器件，但其失效会引起整个系统的停机。例如，调查人员通过分析1972年加州Fremont火车撞车事故，发现起因是一块控制板上的晶振故障。所以小晶振大文章，晶振的作用和意义真的不可小觑。

作者：胡杨

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全部评论（44）

芬里安 Lv7. 资深专家 2019-06-21

好东西，学习
skium Lv4. 资深工程师 2018-12-09

在进行MCU外围电路设计时，很容易忽略由于晶振而导致的问题。mark！
Chase Lv7. 资深专家 2018-08-31

好东西，学习
自主知识产权 Lv7. 资深专家 2018-07-05

好东西
海中浪 Lv4 2018-02-10

5G现在已经开始了，有什么可以推荐的产品？

Marvin Lv3. 高级工程师 2018-02-07

学习了
Ghost Lv4. 资深工程师 2018-01-27

内容很好。看了很有帮助。
用户20792732 Lv4. 资深工程师 2017-12-21

学习
一生有你 Lv3. 高级工程师 2017-12-15

好
NASA911 Lv8. 研究员 2017-11-11

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