幾乎所有使用 MCU 的產(chǎn)品，外圍電路都離不開晶振電路設(shè)計，大多數(shù)電子設(shè)計人員從入門開始都會接觸到晶振電路，但實際上，很少有人真正了解晶振電路是如何工作的，在晶振出現(xiàn)問題之前，多數(shù)人不會付出太多精力去關(guān)注振蕩器電路設(shè)計是否合理，通常等到產(chǎn)品量產(chǎn)，由于晶振而導(dǎo)致的大面積宕機(jī)現(xiàn)象時，才開始注意到晶振電路設(shè)計是否合理。

晶振的全稱叫：石英晶體振蕩器。是利用石英晶體的壓電效應(yīng)廠商高精度振蕩頻率的一種電子元件。查看維基百科，對于這種神奇的材料具體的講解是：

晶體是指其中的原子、分子、或離子以規(guī)則、重復(fù)的模式朝各方向延伸的一種固體。晶體與幾乎所有的彈性物質(zhì)都具有自然共振頻率，透過適當(dāng)?shù)?a target="_blank">傳感器可加以利用。共振頻率取決于晶體的尺寸、形狀、彈性、與物質(zhì)內(nèi)的音速。高頻用的晶體通常是切成簡單的形狀，如方形片狀。運(yùn)用石英晶體上的電極對一顆被適當(dāng)切割并安置的石英晶體施以電場時，晶體會產(chǎn)生變形。這就是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電場移除時，石英晶體會恢復(fù)原狀并發(fā)出電場，因而在電極上產(chǎn)生電壓。這樣的特性造成石英晶體在電路中的行為，類似于某種電感器、電容器、與電阻器所組合成的 RLC 電路。組合中的電感電容諧振頻率則反映了石英晶體的實體共振頻率。

石英晶體等效模型：

Cp：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容(譯注：也叫并電容，靜電電容，其值一般僅與晶振的尺寸有關(guān))。

Ls：(動態(tài)等效電感)代表晶振機(jī)械振動的慣性。

Cs：(動態(tài)等效電容)代表晶振的彈性。

Rs：(動態(tài)等效電阻)代表電路的損耗

了解晶振電路的設(shè)計，首先你要熟悉 Pierce(皮爾斯)振蕩器電路。該模型電路簡單，工作有效而且穩(wěn)定，因此現(xiàn)今幾乎所有的晶振電路設(shè)計都采用這個模型。如下，該設(shè)計包含一個反相器、一個電阻、一個石英晶體、兩個小電容。石英晶體在此扮演高選擇度的濾波元件：

Inv：內(nèi)部反相器器，作用等同于放大器。

Q：石英或陶瓷晶振。

Rf：內(nèi)部反饋電阻(譯注：它的存在使反相器工作在線性區(qū), 從而使其獲得增益，作用等同于放大器)。

RExt：外部限流電阻。

CL1 和 CL2：兩個外部負(fù)載電容。

Cs：由于 PCB 布線及連接等寄生效應(yīng)引起的等效雜散電容(OSC_IN 和 OSC_OUT 管腳上)

接下來，我們重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)部反饋電阻 Rf、負(fù)載電容 Cl、外部限流電阻 Rext——

反饋電阻 Rf

皮爾斯振蕩器中，連接晶振的芯片內(nèi)部是一個線性的運(yùn)算放大器，由于運(yùn)算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百到數(shù)萬倍不等，因此通常使用運(yùn)算放大器會將輸出端與反向輸入端連接形成一個負(fù)反饋組態(tài)(即閉環(huán)放大器)。皮爾斯振蕩器中的反饋電阻 Rf 可以看成是反相器的偏壓電阻，可以令反相器工作在線性區(qū)域而不至于由于增益過大而工作在完全導(dǎo)通或截止的狀態(tài)。

大多數(shù)情況下，Rf 是內(nèi)嵌在芯片內(nèi)部中，但不排除有些芯片的設(shè)計并未內(nèi)嵌這個電阻，因此在這種情況下，你會看到有些晶振電路的外部并聯(lián)著一個電阻。不同頻率對應(yīng)的反饋電阻參考值：

負(fù)載電容 CL

負(fù)載電容指連接到晶振上的終端電容，該終端電容包括：外部電容 CL1 和 CL2、印刷電路板上的雜散電容(Cs)。CL 的值是晶振本身決定，供應(yīng)商會在規(guī)格書中給出，當(dāng)晶振外部等效電容等于負(fù)載電容 CL 時，無源晶振輸出的頻率最準(zhǔn)確。

CL=（CL1//CL2）+CS

即：CL=[（CL1xCL2）/（CL1+CL2）]+CS

需要注意的是：電容具有充放電的功能，電容容值越大，放電越慢，電容容值越小，放電越快。因此實際調(diào)試中，如果測得的實際頻率比理論值偏小，說明振蕩器振蕩頻率偏慢，電容的放電太慢，等效電容大于負(fù)載電容，需要降低外部的匹配電容

外部電阻 Rext

在開始闡釋外部電阻之前，我們需要再了解兩個概念：振蕩器增益余量 gain、驅(qū)動級別 DL——

增益余量 gain：表征振蕩電路的放大能力

驅(qū)動級別 DL：表征晶振的驅(qū)動功耗

早在 1988 年， Eric Vittoz 發(fā)表了晶振 RLC 動態(tài)等效電路的相關(guān)理論研究，基于前人的理論，反相器跨導(dǎo) gm 必須大于 gmcrit 才能滿足起振條件，為保證可靠性，還必須滿足至少 5 倍的關(guān)系；即：gmargin = gm / gmcrit

其中，gmcrit = 4 x ESR x (2πF)2 x (C0 + CL)2，ESR、C0、CL 都可以從晶振規(guī)格書中獲取，gm 從芯片規(guī)格書中獲得；

驅(qū)動級別 DL 描述的是晶振的功耗，晶振的功耗必須限制在一定范圍內(nèi)，否則石英晶體可能會由于過度機(jī)械振動而導(dǎo)致不能正常工作。

DL = ESR x I2，其中 ESR 為晶振的等效串聯(lián)電阻，I 為流過晶振的電流的均方根有效值；

你必須讓 DL 值小于晶振規(guī)格書中限定的 DL 值，如果實際 DL 值較高，則需要 Rext 電阻對驅(qū)動功率進(jìn)行限制。

對于 I 的測量需要電流探頭進(jìn)行測量，而且由于驅(qū)動電流一般比較小，因此需要 1mA/mV 檔，實際操作中，你可能并沒有分辨率這么高的電流探頭，那么你可以通過觀測晶振引腳輸出波形的形狀進(jìn)行確認(rèn)，具體方法我們在下面講。

當(dāng)你能耐心看到這里，對于晶振設(shè)計的基礎(chǔ)概念、計算已經(jīng)都了解過，接下來，可以搬上我們最終的晶振設(shè)計步驟：

第一步：增益余量的計算

gmcrit = 4 x ESR x (2πF)2 x (C0 + CL)2，ESR、C0、CL 都可以從晶振規(guī)格書中獲取，gm 從芯片規(guī)格書中獲得；gmargin = gm / gmcrit ，

若 gmargin<5，說明這不是一個合格的晶振，你該去挑選一個更低 ESR 或 CL 值的晶振；

若 gmargin>5，進(jìn)行第二步；

第二步：外部負(fù)載電容計算

CL=（CL1//CL2）+CS

即：CL=[（CL1xCL2）/（CL1+CL2）]+CS

CL 為晶振規(guī)格書給出的負(fù)載電容，CL1，CL2 為所要計算的外部電容，CS 為雜散電容(可粗略使用 4pf 進(jìn)行計算)

第三步：驅(qū)動級別和外部電阻的計算

用一臺示波器檢測 OSC 輸出腳，

如果檢測到非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時鐘輸入需要，則晶振未被過分驅(qū)動；那么祝賀你，你找到了合適的晶振；

如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過分驅(qū)動。這時就需要用電阻 Rext 來防止晶振被過分驅(qū)動。判斷電阻 RD 大小的最簡單的方法就是串聯(lián)一個微調(diào)電阻，從 0 開始慢慢調(diào)高，一直到正弦波不在被削平為止，這時的電阻值為 Rext 值。此時，由于需要串聯(lián) Rext，晶振模型的 ESR 已經(jīng)發(fā)生了改變，因此你需要回到第一步計算 gmarin，如果 gmarin>5，那么你找到了合適的晶振，如果 gmarin<5，那么重新挑選另外一個晶振，重新回到第一步吧。。。

審核編輯 黃昊宇