晶振是什么、有什么用、用在哪里
發布時間：2025-6-25 16:11
發布者：yxcyangxing
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晶振自身產生時鐘信號，為各種微處理芯片作時鐘參考，晶振相當于這些微處理芯片的心臟，沒有晶振，這些微處理芯片將無法工作。 晶振的作用就是為系統提供基本的時鐘信號。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。 晶振主要運用于單片機、DSP、ARM、PowerPC、CPLD/FPGA等CPU，以及PCI接口電路、CAN接口電路等通訊接口電路。 晶振是有源晶振的簡稱，也叫振蕩器，完整專業術語稱之為晶體振蕩器，Crystal Oscillator，簡寫為XO。需要供電,振蕩電路在晶振內部。 
晶體則是無源晶振的簡稱，也叫諧振器，完整專業術語稱之為晶體諧振器，Crystal，簡寫為XTAL。無需供電，需要配合振蕩電路才能工作。
一、晶振的工作原理： 石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。 石英晶體有一個很重要的特性：如果給它施加交變電壓，它就會產生機械振蕩，反之，如果給它機械振動，它又會產生交變電壓，這種特性叫壓電效應。
在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，其振動頻率則是很穩定的。但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振動的幅度將急劇增加，這種現象稱為壓電諧振。它與LC回路的諧振現象十分相似。 一個石英晶振可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡。這個二端網絡有兩個諧振點，對應兩個諧振頻率，即fs和fp，fp略大于fs。
其中較低的頻率fs為串聯諧振頻率，較高的頻率fp為并聯諧振頻率。由于晶體自身的特性，這兩個頻率的距離相當接近，在這個極窄的頻率范圍內，晶振可以進一步等效為一個電感。
因此，如果我們在晶振的兩端并聯上合適的電容，它就會組成一個并聯諧振電路。將這個并聯諧振電路再加到一個負反饋電路中，就可以構成正弦波振蕩電路。 而且，由于石英晶體化學性能非常穩定，熱膨脹系數非常小，晶振等效為電感的頻率范圍很窄，振蕩頻率就非常穩定。它的諧振頻率基本上只與晶片的形狀、材料、切割方向等密切相關，再加上控制幾何尺寸已經可以做到很精密，所以即使其他元件的參數變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化，這就是晶振電路頻率穩定的原理。 二、晶振主要分為以下五大類： 1）無源晶振Passive Crystal Resonator（XTAL） 是一種無需外部電源直接驅動的晶體諧振器，其自身不具備振蕩功能，需要配合外部電路（如芯片內部的振蕩電路）才能產生時鐘信號。無源晶振的頻率穩定度主要取決于其內部晶體的特性以及外部電路的設計，通常頻率穩定度在10⁻⁵至10⁻⁶量級。其結構簡單，僅由晶體和封裝組成，工作時依賴外部電路提供激勵信號。
2）普通晶振Simple Packaged Crystal Oscillator（SPXO） 是一種沒有采取溫度補償措施的晶體振蕩器，在整個溫度范圍內，晶振的頻率穩定度取決于其內部所用晶體的性能，頻率穩定度在10-5量級，一般用于普通場所作為本振源或中間信號，是晶振中價值較低的產品。其工作完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應用于穩定度要求不高的場合。
從原始石英晶體坯料到封裝為最終的晶振 3）溫補晶振Temperature Compensated Crystal Oscillator（TCXO） 溫補晶振是在晶振內部采取了對晶體頻率溫度特性進行補償，以達到在-40℃~105℃的寬溫溫度范圍內滿足穩定度要求的晶體振蕩器；頻率穩定度在5*10-7~5*10-8量級。 一般模擬式溫補晶振采用熱敏補償網絡，由溫度感受器與頻率補償電路組成，通過溫度感受器的電壓變化控制VCO或變容二極管校準頻率。由于其良好的開機特性、優越的性價比以及功耗低、體積小、環境適應性較強等多方面優點，因而得到了廣泛應用。 4）壓控晶振Voltage Controlled Crystal Oscillator（VCXO） 壓控晶振是一種可通過調整外加電壓使晶振輸出頻率隨之改變的晶體振蕩器。其頻率控制范圍及線性度主要取決于電路所用變容二極管及晶體參數兩者的組合。主要用于鎖相環路或頻率微調。
5）恒溫晶振Oven Controlled Crystal Oscillator（OCXO） 采用精密控溫，使電路元件及晶體工作在晶體的零溫度系數點的溫度上。中精度產品頻率穩定度為10-8~10-9，高精度產品頻率穩定度在10-10量級以上。 利用恒溫槽使晶體振蕩器中石英晶體諧振器的溫度保持恒定，把由于周圍溫度變化而引起的振蕩器輸出頻率變化的量，削減到最小。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋"構成的差動串聯放大器，來實現溫度控制。主要用作頻率源或標準信號。
OCXO被稱為晶體行業的皇冠，尤其是OCXO用的晶體，需要優異的Q和老化，晶體行業最尖端的技術均用于了此行業，此行業可以說是晶體尖端技術的集合體。其本質上可以說是一個小型電子系統。OCXO與馴服晶振（GPSDO）、銣原子鐘一樣重要，而且性價比更高，用途也更加廣泛。隨著5G應用普及，OCXO的需求快速上升，一個5G小基站至少需要一個OCXO，而宏基站可能需要超過十個OCXO。 不同的特性決定了四種類型晶振的應用場合：如果需要設備即開即用，需選用SPXO、VCXO和TCXO。如果要求時鐘信號有較高穩定度，推薦使用TXCO和OCXO。 三、晶振的應用 晶振的應用極其廣泛，可以結合晶振主要參數進行具體應用，如輸出頻率 、頻率穩定性、工作溫度范圍、輸入電壓和功率、輸出波形、封裝尺寸和外形等。以下列舉晶振常用領域： · 科研與計量：原子鐘、測量設備、遙測、遙感、遙控等應用； · 工業領域：通訊、電信、移動/蜂窩/便攜式終端、航空、航海、導航、儀器儀表、計算機、數字設備、顯示器、磁盤驅動器、調制解調器、傳感器等應用； · 消費領域：可穿戴式設備、智能家居、音響設備、有線電視系統與電視機、PC、攝像機、無線通信、玩具、醫用裝置與設備等應用； · 汽車領域：ADAS、中控屏、儀表盤、流媒體后視鏡、車載攝像頭、毫米波雷達、激光雷達、車聯網、胎壓監測、車載導航等汽車電子應用。 |
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