晶体振荡器的分类及设计要点解析

发布时间:2024-07-12 阅读量:5704 来源: 综合自网络 发布人: wenwei

【导读】晶振,全称晶体振荡器,是一种利用石英晶体的压电效应制成的电子元件。石英晶体具有稳定的物理和化学特性,当受到外加电场作用时,会产生机械振动;反之,当受到外力作用产生机械变形时,也会在晶体内部产生电场。这种特性使得晶振能够产生高度稳定的振荡频率。


晶振的主要作用是为电子设备提供稳定的时钟信号。在电子设备中,很多功能都需要依靠稳定的时钟信号来驱动,比如CPU的工作、数据传输等。晶振能够产生稳定、精确的振荡频率,为这些功能提供了可靠的时钟源。


晶振广泛应用于各种电子设备中,如计算机、通讯设备、仪器仪表等。在这些设备中,晶振的性能直接影响到设备的稳定性和可靠性。因此,选择适合应用需求的晶振是非常重要的。


一、晶振的分类有哪些?


晶振的分类多种多样,以下是按照不同标准进行的详细分类介绍:


(1)按频率分类:


①低频晶振:频率低于1MHz,主要用于时钟信号、计时器、传感器等领域。


②高频晶振:频率在1MHz以上,主要应用于无线通信、射频、蓝牙、Wi-Fi等领域。


③微波晶振:频率高达100MHz以上,适用于卫星通信、雷达、无线电等高端领域。


(2)按封装形式分类:


①插件晶振:其引脚可以插入电路板插座中使用,这种形式的晶振多用于旧款设备或需要经常更换的场合。


②贴片晶振:可以直接贴在电路板印制线上使用,具有体积小、重量轻、耐震性强的特点,因此被广泛应用于现代电子设备中。


(3)按材料分类:


①石英晶振:使用石英晶体制造,具有高稳定性和高精度,广泛应用于各种电子设备。


②水晶晶振:使用水晶晶体制造,成本较高,因此主要用于高端产品中。


(4)按工作方式分类:


①无源晶振:无源晶振是一个2个引脚的无极性元件,也被称为晶体。它本身并不能直接产生振荡信号,而是需要借助于外部的时钟电路才能产生振荡。


②有源晶振:有源晶振则是一个完整的振荡器,包含4个引脚。除了石英晶体外,它还包括晶体管和阻容元件,因此其体积较大。有源晶振不需要外部的时钟电路或DSP的内部振荡器,它自身就能产生稳定且精确的振荡信号。


(5)按性能特点分类:


①普通晶振:最简单的晶体振荡器,通常用作微处理器的时钟器件,主要应用于电视机、微波炉等稳定度要求不高的场合。


②差分晶振:输出差分信号,可以消除共模噪声,提高系统性能。


③压控晶振:通过调整外加电压来改变晶振输出频率,主要用于锁相环路或频率微调。


④恒温晶振:利用恒温槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定,以减小温度变化对振荡器输出频率的影响。


⑤数补晶振:使用MCU技术进行温度数字补偿的晶振,以提高其稳定性和精度。


二、设计要点


晶振的设计要点主要包括合理的PCB布局、‌选择适当的晶振封装、‌正确的电路连接以及考虑负载电容。‌


PCB布局:‌晶振作为电路系统中的时钟信号源,‌其布局对系统的稳定性和性能至关重要。‌在PCB设计中,‌应优先考虑晶振的布局,‌确保其走线简短以减少信号失真,‌并采取措施减少杂散辐射。‌晶振下方所有层不应走线,‌并铺设GND铜皮以增强抗干扰能力。‌此外,‌晶振附近应避免布置数字信号线,‌以减少相互干扰。‌


选择适当的晶振封装:‌常用的晶振封装包括2引脚的插件封装、‌SMD封装和4引脚的SMD封装。‌选择封装时,‌应考虑电路板的尺寸和布局要求,‌以及封装对信号质量和稳定性的影响。‌基本电路设计应保持两个增益电容和相位电容靠近晶体放置,‌以确保良好的性能。‌


正确的电路连接:‌晶振的连接应遵循特定的电路设计规则,‌包括先经过电容后连接晶振,‌以及确保晶体的一对线以类差分形式走线,‌尽量短、‌加粗并进行包地处理,‌以减少信号干扰和提高稳定性。‌


考虑负载电容:‌负载电容是影响晶振性能的重要因素之一。‌除了连接的两个电容(‌CL1和CL2)‌外,‌还需考虑MCU管脚自身对地的寄生电容、‌管脚之间的杂散电容以及晶振本身的电容。‌这些因素共同决定了晶振的实际负载,‌设计时应综合考虑这些因素以确保晶振的正常工作。‌


注意晶振的驱动级别:‌晶振的驱动级别(‌DL)‌是一个重要参数,‌设计的电路应确保晶振的DL不大于其要求的DL值,‌以避免晶振损坏。‌在晶振电路设计中,‌通过外部电阻限制DL值是一种常见的方法。‌


综上所述,‌晶振的设计不仅涉及PCB布局和封装选择等物理方面,‌还包括电路连接和负载电容等电气方面的考虑,‌以及驱动级别的注意,‌这些都是确保晶振性能和系统稳定性的关键因素。‌



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