晶振的主要参数及10条选型原则

【导读】有一些电子设备需要频率高度稳定的交流信号，而LC振荡器稳定性较差，频率容易漂移（即产生的交流信号频率容易变化）。在振荡器中采用一个特殊的元件——石英晶体，可以产生高度稳定的信号，这种采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡器。

一、晶振的主要参数

晶振的主要参数有标称频率、负载电容、频率精度、频率稳定度等，这些参数决定了晶振的品质和性能。因此，在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，如通信网络、无线数据传输等系统就需要精度高的晶振。不过，由于性能越高的晶振价格也越贵，所以购买时选择符合要求的晶振即可。 

① 标称频率。不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标注在晶振外壳上。

② 负载电容。负载电容是指晶振的两条引线连接的集成电路（IC）内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载电容不同，振荡器的振荡频率不同。但标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。一般来说，有低负载电容（串联谐振晶体）和高负载电容（并联谐振晶体）之分。因此，标称频率相同的晶体互换时还必须要求负载电容一致，不能轻易互换，否则会造成电路工作不正常。

③ 频率准确度。频率准确度是指在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度（25℃）以及其他条件保持不变时，晶体振荡器的频率相对于其规定标称值的最大允许偏差，即（fmax-fmin）/f0。 

④ 温度稳定度。温度稳定度是指其他条件保持不变时，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即（fmax-fmin）/（fmax+fmin）。 

⑤ 频率调节范围。通过调节晶体振荡器的某可变元件可改变输出频率的范围。 

⑥ 负载特性。其他条件保持不变时，负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。

⑦ 电压特性。其他条件保持不变时，电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。

⑧ 杂波。杂波是指输出信号中与主频无谐波（副谐波除外）关系的离散频谱分量与主频的功率比，用dBc表示。 

⑨ 谐波。谐波是指谐波分量功率Pi与载波功率P0之比，用dBc表示。

⑩ 日波动。指振荡器经过规定的预热时间后，每隔1h测量一次，连续测量24h，将测试数据按S=（fmax-fmin）/f0计算，得到日波动。

二、晶振选型原则

晶振选型可遵循以下10条基本原则：

1、晶振类型

优选表贴封装晶体或晶振，即贴片类晶振(SMD)。在电子设计中，如何选取贴片晶振，要根据实际设计需要，选择有源晶振或者无源晶振。如果想省去外接电容与无源晶振负载电容的匹配问题，推荐直接采用有源晶振方案，有源晶振则需要注意工作电压和输出波形这两项电气参数。

2、晶振封装尺寸和外形

优选金属壳封装，电磁屏蔽特性好；基于振荡器类型和规格，对晶振封装的要求将大相径庭。简单的时钟振荡器和一些TCXO可以装在小到1.2×2.5mm的封装中；而一些OCXO可以大到50×50mm，对某些特定设计，甚至可更大。虽然一些通孔封装如双列直插式4或14引脚类型仍然用于较大的部件(如OCXO或专用TCXO)，但大多数当前设计使用表贴封装。这些表贴配置可以是密封的陶瓷封装，或基于FR-4的、具有用于I/O的建构的组件。

3、晶振稳定性，年老化率(Aging/year) 

晶体振荡器输出频率随时间的变化，通常用一年为单位的频率来量度，单位为ppm。如果对晶振的稳定性有及高的要求，那就选择VCXO或TCXO的晶振这种晶振频率稳定度可以做到+/-0.5PPM。而晶振的典型稳定性可以在100ppm至0.001ppm之间。频率稳定性通常由应用要求决定，并进而确定将需要的晶振类型。振荡器必须工作的温度范围是确定可以达到的稳定性的主要因素。频率稳定度（温度稳定度）<15ppm时，优选温补晶振（TCXO）。

4、晶振型号

选用的贴片晶振看清外壳的型号标记，型号表明了晶振的多项参数性能，比如精度、体积、工作温度及功耗等，这样方便结合产品使用要求来选择相应的晶振参数。如果晶振型号选择不当，将导致产品应用不匹配，不能正常工作。

5、晶振工作环境

如果对晶振工作温度有要求，那就选择硅机电晶振，这种晶振的频率振荡源是用硅片来做的，所有的频率是用编程来实现的，所以晶振对工作温度的高低没有太大的影响。

温度是影响晶振频率与稳定性的重要因素。晶振的频率是基于晶体的物理性质而定的，而晶体的物理性质会随着温度的变化而改变。当温度升高时，晶体的分子振动会加强，导致晶体的物理性质发生变化，从而影响晶振的频率此外，温度的变化也会影响晶振的稳定性，因为晶体的物理性质变化可能会导致晶振的频率不稳定。

因此，在设计晶振电路时，需要考虑温度对晶振的影响，选择合适的晶体和电路设计，以确保晶振的稳定性和精度。

1）确保晶振周围没有热源，如电源、功率放大器等，以避免温度过高影响晶振的稳定性。

2）在PCB设计中，应尽量减少晶振周围的散热面积，以保持晶振的温度稳定

3）确保晶振周围没有过多的散热孔，以避免冷却过度，导致晶振温度过低，影响其稳定性。

4）对于高精度的晶振，应选择温度稳定性好的材料，如FR-4等。

5）对于温度变化较大的环境，应选择具有温度补偿功能的晶振，以提高其稳定性。

6）在实际应用中，应根据晶振的数据手册提供的温度特性曲线，进行合理的温度补偿设计。

6、晶振的尺寸

如果对晶振的体积有要求，可以选择小尺寸的贴片晶振，不过小尺寸的贴片晶振尺寸越小在频率的选择上就会有所限制。

7、晶振性价比

晶振选用不仅仅要考虑参数性能，品质、服务、交期、价格和供货稳定性同样至关重要。

8、晶振负载电容

选用的贴片晶振选准了谐振频率后，还要特别注意石英晶振的负载电容属性，辨明它是低负载电容型还是高负载电容型。只有谐振频率、负载电容两项参数同时满足实际电路的需求，才算选择正确。如果有一项参数不符合要求，就选择错了。对于内置振荡器的处理器，注意振荡器对晶体负载电容的要求，如STM32的RTC晶体，为6pf负载电容，不满足可能造成振荡器不起振或者频率偏差过大。

9、输入电压和功率

任何类型的晶振通常都可以被设计为利用系统中已有的DC输入电源电压来操作。在数字系统中，通常希望使用与振荡器将驱动的系统中的逻辑器件所使用的电压相匹配的电压来驱动晶振，以便逻辑电平是直接兼容的。+3.3V或+5V是这些数字单元的典型输入。具有较高功率输出的其它器件可以使用较高电压，例如+12V或+15V。

10、输出频率

任何振荡器最基本的属性都是它生成的频率。根据定义，振荡器是接受输入电压(通常为直流电压)并在某一频率下产生重复交流输出的器件。所需的频率由系统类型和如何使用该振荡器所决定。一些应用需要kHz范围内的低频晶体。一个常见的例子是32.768 kHz(钟)表晶体。但是大多数当前的应用需要更高频率的晶体，范围从小于10MHz到大于100MHz。

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