芯耀
751
晶振是什么
在我們?nèi)粘Ｊ褂玫母鞣N電子設(shè)備中，從手機(jī)、電腦到智能手表，甚至汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)，都存在著一個(gè)小小的元件，它如同電子設(shè)備的心臟，穩(wěn)定地跳動(dòng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的時(shí)間和頻率基準(zhǔn)，這就是晶振。也許你從未注意過(guò)它，但它卻默默發(fā)揮著不可或缺的作用。
晶振，全稱晶體振蕩器（CrystalOscillator），是在電路中提供頻率基準(zhǔn)的被動(dòng)元器件，能產(chǎn)生頻率高度穩(wěn)定的交流信號(hào)，使得電路工作在一個(gè)穩(wěn)定的頻率范圍內(nèi)，廣泛應(yīng)用于汽車、數(shù)字、電子等行業(yè)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它就像是電子設(shè)備的“心跳起搏器”，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，確保各個(gè)部件有條不紊地協(xié)同工作。
晶振的分類
晶振主要分為有源晶振和無(wú)源晶振。一般我們說(shuō)的“晶振”指的是有源晶振，而無(wú)源晶振通常叫“晶體”，或者叫“諧振器”。有源晶振和無(wú)源晶兩者最大的區(qū)別是：有源晶振自身即可起振，而無(wú)源晶振則需要外加專門的時(shí)鐘電路才能起振。打個(gè)比方，有源晶振就像是自帶發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，可以獨(dú)立啟動(dòng)并運(yùn)行；而無(wú)源晶振則像是沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，需要借助外部的動(dòng)力（時(shí)鐘電路）才能發(fā)動(dòng)起來(lái)。
除了有源晶振和無(wú)源晶振，還有一些在特定的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用的晶振：
溫補(bǔ)晶振（TCXO）：具有溫度補(bǔ)償功能，可以自動(dòng)調(diào)整頻率以補(bǔ)償溫度變化對(duì)晶體頻率的影響。它采用特殊的溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)熱敏電阻感知環(huán)境溫度的變化，并通過(guò)電壓控制電路調(diào)整晶體諧振器的頻率，使其與基準(zhǔn)頻率保持一致。溫補(bǔ)晶振的頻率穩(wěn)定度通常在10-7~10-6量級(jí)，適用于對(duì)頻率精度要求較高的應(yīng)用，如GPS接收器、通信設(shè)備和衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。
恒溫晶振（OCXO）：通過(guò)恒溫控制來(lái)保持晶體諧振器的溫度穩(wěn)定。它利用加熱電阻和溫度傳感器等元件，使晶體諧振器始終處在一個(gè)恒定的溫度下工作，以此來(lái)減少因溫度變化帶來(lái)的頻率波動(dòng)。恒溫晶振的頻率穩(wěn)定性通常優(yōu)于溫補(bǔ)晶振，在寬溫度范圍內(nèi)，能保持高精度的頻率輸出，常用于對(duì)時(shí)鐘精度要求非常高的應(yīng)用，如衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線通信基站、科學(xué)儀器和精密測(cè)量設(shè)備等。不過(guò)，它的啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，制造成本也相對(duì)較高。
壓控晶振（VCXO）：其輸出頻率可以通過(guò)輸入電壓進(jìn)行控制。通過(guò)改變控制電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振蕩頻率的調(diào)整，主要用于鎖相環(huán)、頻率合成器等電路中，在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
不同類型的晶振各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景來(lái)選擇合適的晶振，以確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
晶振的工作原理
壓電效應(yīng)
要理解晶振的工作原理，首先得從壓電效應(yīng)說(shuō)起。1880年，法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾?居里（PierreCurie）和雅克?居里（JacquesCurie）兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，即某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。反之，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種機(jī)械能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的特性，正是晶振工作的基礎(chǔ)。
在晶振中，常用的壓電材料是石英晶體，它具有良好的壓電性能和極高的穩(wěn)定性。當(dāng)在石英晶體的兩個(gè)電極上施加交變電場(chǎng)時(shí)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；而晶體的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)根據(jù)正壓電效應(yīng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，如此循環(huán)往復(fù)。
諧振原理
當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，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)。
在晶振內(nèi)部，石英晶體與振蕩電路相連。當(dāng)給晶振加上電源后，振蕩電路會(huì)提供一個(gè)初始的電信號(hào)，激勵(lì)石英晶體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。由于壓電效應(yīng)，機(jī)械振動(dòng)又會(huì)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋給振蕩電路。如此循環(huán)，晶振就能持續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)輸出。
晶振有什么作用
提供時(shí)鐘信號(hào)：晶振在電子系統(tǒng)中提供精確穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，用于同步和控制各種操作。時(shí)鐘信號(hào)決定了系統(tǒng)的工作頻率和時(shí)間精度，對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和計(jì)時(shí)系統(tǒng)等都起著至關(guān)重要的作用。
確保數(shù)據(jù)傳輸的正確性：在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，需要嚴(yán)格的時(shí)序同步，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳遞。晶振作為主時(shí)鐘源，能夠提供可靠的時(shí)鐘信號(hào)，為數(shù)據(jù)的傳輸和處理提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。
實(shí)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定性：晶振的振蕩頻率非常穩(wěn)定，且受環(huán)境溫度等因素的影響較小。它能夠提供穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，避免信號(hào)波動(dòng)和時(shí)序偏移，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
支持精確定時(shí)：許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诰_定時(shí)要求極高，如航空航天、科學(xué)儀器等。晶振提供的精確的時(shí)鐘信號(hào)能夠滿足這些應(yīng)用的需求，確保系統(tǒng)或儀器的精度和穩(wěn)定性。
晶振作為一種重要的時(shí)鐘源，通過(guò)晶體的諧振特性產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，為電子系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)。它在同步、控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫姘l(fā)揮著重要的作用。
晶振的應(yīng)用領(lǐng)域
晶振作為電子設(shè)備的“心跳起搏器”，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為眾多電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了不可或缺的時(shí)鐘信號(hào)。
移動(dòng)通信物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域：在手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)通信設(shè)備中，晶振為無(wú)線通信模塊（如Wi-Fi、藍(lán)牙、5G等）提供精確的時(shí)鐘信號(hào)，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和設(shè)備的高效運(yùn)行。例如，手機(jī)中常用的晶振頻率為24MHz，NFC技術(shù)使用13.56MHz、27.120MHz等晶振。在手機(jī)的CPU中，晶振提供的時(shí)鐘信號(hào)決定了處理器的運(yùn)行速度，直接影響手機(jī)的整體性能和響應(yīng)速度。
網(wǎng)絡(luò)通訊領(lǐng)域：在路由器、交換機(jī)、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，晶振發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。例如，路由器常用的晶振頻率有12MHz、16MHz、26MHz、40MHz等，這些不同頻率的晶振滿足了路由器在不同數(shù)據(jù)傳輸速率和功能需求下的穩(wěn)定運(yùn)行。
汽車電子領(lǐng)域：汽車電子系統(tǒng)中，晶振廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車音響系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)等。它為這些系統(tǒng)提供精確的時(shí)鐘信號(hào)，保證汽車各部件的協(xié)調(diào)工作和穩(wěn)定運(yùn)行。一輛汽車中應(yīng)用到的晶振可高達(dá)200多顆，不同的晶振頻率在系統(tǒng)中有不同的應(yīng)用和功能。例如，4MHz用于汽車儀表盤、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECM）、空調(diào)控制等基本控制系統(tǒng)；8MHz用于車載多媒體設(shè)備、儀表盤、車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)；10MHz用于定位系統(tǒng)接收器、車載通信設(shè)備等需要較高精度的應(yīng)用；12MHz用于一些高速通信系統(tǒng)，如汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、車載電腦等。
安防監(jiān)控領(lǐng)域：在攝像頭、錄像機(jī)、報(bào)警器等安防設(shè)備中，晶振為圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)等功能提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。例如，安防攝像頭常用的晶振頻率有12MHz、16MHz、24MHz、27MHz、40MHz等，這些頻率確保了攝像頭能夠準(zhǔn)確地捕捉圖像，并將圖像數(shù)據(jù)穩(wěn)定地傳輸和存儲(chǔ)。
家電領(lǐng)域：在電視機(jī)、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品中，晶振為家電的微處理器、遙控器、顯示屏等部件提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，保證家電的各項(xiàng)功能正常運(yùn)行。例如，彩色電視機(jī)常用的晶振頻率有443MHz（PA制）、3.58MHz（NSC制）和8.86MHz（TDA3560、TDA3565等集成電路用）等；空調(diào)常用的晶振頻率有32.768KHz、4.000MHz和4.194304MHz等。
如何選擇一款合適的晶振
在電子電路設(shè)計(jì)中，選擇合適的晶振至關(guān)重要，它直接影響到電子設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和可靠性。以下是一些選擇晶振時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。
確定頻率范圍：在選擇晶振時(shí)，首先要明確系統(tǒng)的頻率范圍需求，確保所選晶振的頻率能夠滿足系統(tǒng)的要求。比如，常見(jiàn)的微控制器時(shí)鐘頻率有8MHz、16MHz、32MHz等，而無(wú)線通信模塊中的藍(lán)牙通常使用2400MHz左右的晶振。
考慮精度和穩(wěn)定性：晶振的精度和穩(wěn)定性對(duì)于系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，在選擇晶振時(shí)，要充分考慮系統(tǒng)對(duì)精度和穩(wěn)定性的要求。例如，在一些對(duì)時(shí)鐘精度要求極高的通信應(yīng)用中，可能需要選擇精度在±1ppm以下的晶振，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
考慮工作溫度范圍：晶振的工作溫度范圍應(yīng)與系統(tǒng)的工作溫度范圍相匹配，確保晶振在預(yù)期的溫度范圍內(nèi)能夠正常工作。不同類型的晶振其工作溫度范圍也有所不同，如普通晶振的工作溫度范圍一般為-40℃至+85℃，而工業(yè)級(jí)晶振的工作溫度范圍可能更寬，可達(dá)-55℃至+125℃。在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景中，如汽車電子、航空航天等，需要選擇能夠在極端溫度條件下穩(wěn)定工作的晶振。
選擇合適的負(fù)載電容：負(fù)載電容是組成振蕩電路時(shí)的必備條件。在通常的振蕩電路中，石英晶體諧振器作為感抗，而振蕩電路作為一個(gè)容抗被使用。負(fù)載電容可以是任意值，但10-30PF會(huì)更佳。對(duì)該電容的要求較高，習(xí)慣用NPO(C0G)材質(zhì)的電容。負(fù)載電容的大小會(huì)影響晶振的振蕩頻率和穩(wěn)定性，因此在選擇晶振時(shí)，需要根據(jù)晶振的規(guī)格書來(lái)選擇合適的負(fù)載電容。
品牌與供應(yīng)商選擇：盡量選擇知名品牌的晶振及外部器件，這些品牌和供應(yīng)商通常具備更可靠的品質(zhì)保證和更長(zhǎng)的使用壽命，能夠滿足更為嚴(yán)格的技術(shù)要求和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，選擇知名品牌和有信譽(yù)的供應(yīng)商還能確保獲得優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)和技術(shù)支持，有助于降低維護(hù)成本和減少生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。像日本的愛(ài)普生（EPSON）、精工（SEIKO），國(guó)產(chǎn)的晶發(fā)電子、泰晶科技、揚(yáng)興等都是知名的晶振品牌。
晶振，這個(gè)小小的電子元件，卻在現(xiàn)代電子世界中發(fā)揮著舉足輕重的作用。它憑借著穩(wěn)定的頻率輸出，為各類電子設(shè)備提供了精確的時(shí)間基準(zhǔn)和時(shí)鐘信號(hào)，確保設(shè)備的各個(gè)部件能夠有條不紊地協(xié)同工作。從消費(fèi)電子到通信設(shè)備，從汽車電子到工業(yè)控制，晶振無(wú)處不在，它就像是電子設(shè)備的 “心臟起搏器”，讓每一個(gè)電子設(shè)備都能穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。
