引言

說到“晶振”，或者晶體諧振器（Crystal resonator），你一定不陌生，很多電子產(chǎn)品中都有它的身影，網(wǎng)上隨便一搜就可看到很多：

特別的，如果你有帶電子手表的習(xí)慣，那么拆開手表，里面驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)的就是一顆晶振，它有著36.768KHz的振蕩頻率

為什么是36.768KHz這個(gè)頻率？這里我們暫且不表，先來講述一些關(guān)于晶振的基本概念。

一、晶振的壓電效應(yīng)

我們把晶振的外殼去除，可以看到內(nèi)部是一種半透明的材質(zhì)，外加兩個(gè)引出的電極引腳

這種半透明的材質(zhì)叫做“石英”晶體（Quatz）。石英由硅元素（Si）和氧元素（O）構(gòu)建而成，結(jié)晶時(shí)，其原子在空間上排列非常規(guī)則（白色代表Si，紅色代表O）。

由于這種空間上的特殊排列組合，在沒有被擠壓的時(shí)候，晶格的中心位置上正負(fù)電抵消，是0電勢(shì)，但是當(dāng)受到外在壓力時(shí)，晶格的中心位置上的電勢(shì)會(huì)偏移，從而產(chǎn)生電壓。

這種現(xiàn)象就是“壓電效應(yīng)”：當(dāng)對(duì)壓電材料施以壓力時(shí)，能產(chǎn)生電；反過來，當(dāng)給壓電材料通電，能產(chǎn)生形變。

譬如，我們用對(duì)石英晶體進(jìn)行敲打，能用萬用表測(cè)得電壓的變化。

可以想象，石英這種壓電材料，其實(shí)質(zhì)就是將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換，所以有時(shí)也被稱為“換能器”（Transducer）。

特別的，每種材料都有自己的共振頻率，如果施加的是交流電，電的頻率和材料本身的共振頻率一致，能量就會(huì)在機(jī)械能和電能最大化轉(zhuǎn)換。這種共振頻率取決于石英晶體的切割方式，如由石英晶體的尺寸（厚度）、形狀、振動(dòng)模式等因素來決定。

圖6-晶振振動(dòng)模式（手表里通常都是音叉式晶振，對(duì)照?qǐng)D2）

二、晶振的阻抗特性

晶振本身只是一種單純的壓電材料，為了電學(xué)上的計(jì)算分析，我們繪制它的等效電路：

圖7-晶振的等效電路

等效電路分為兩部分：一部分是Lm、Cm、Rm構(gòu)建的串聯(lián)電路，這部分代表著晶振在發(fā)生形變振動(dòng)時(shí)的效果，老外也將其稱為晶振的運(yùn)動(dòng)（Motional）參數(shù)；另一部分是一個(gè)C0并聯(lián)在LCR電路上，這個(gè)C0的容值比Cm要大很多，代表了兩個(gè)電極引腳產(chǎn)生的分布或寄生電容。

這種電路組合意味著晶振有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是由Lm、Cm、Rm串聯(lián)電路形成的諧振頻率Fs；另一個(gè)是Lm、Cm、Rm整體與C0并聯(lián)電路形成的諧振頻率Fp：

圖8-晶振的阻抗特性曲線（紅線）

當(dāng)晶振上通過的信號(hào)頻率：

• 小于Fs時(shí)，電路更顯容性；
• 等于Fs時(shí)，容性阻抗和感性阻抗相互抵消，電路呈現(xiàn)純阻性，電路整體阻抗最??；
• 大于Fs時(shí)，電路更顯感性；
• 等于Fp時(shí)，C0與Lm、Cm、Rm（顯感性）形成LC并聯(lián)諧振電路，電路呈現(xiàn)純阻性，電路整體阻抗最大；
• 大于Fp時(shí)，電路更顯容性；

我們來看一下Fs和Fp的計(jì)算公式：

圖9-晶振串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率計(jì)算

由于Lm很大（數(shù)百mH甚至更大），C0相比Cs也很大，這導(dǎo)致Fs和Fp是非常接近的。實(shí)際上晶振的工作頻率（標(biāo)稱頻率）就是處于Fs和Fp之間的某個(gè)頻率值。

那你說晶振看起來就是一個(gè)LC電路啊，那直接用LC來做就行了，費(fèi)這么大勁搞什么壓電效應(yīng)這是何必呢？

這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)當(dāng)中，出于成本、工藝、體積等考慮，使用LC等元器件搭建的電路，很難做到像晶振里等效Lm（電感很大）、Rm（電阻很?。┑某潭?，而這些參數(shù)和LC電路的品質(zhì)因素Q有關(guān)系：

圖10-晶振的品質(zhì)因素計(jì)算

晶振的Q一般能達(dá)到數(shù)千的數(shù)值，而普通LC電路的Q只有數(shù)百的數(shù)值。Q越大，選頻能力越好，振蕩越穩(wěn)定。這就是晶振相比傳統(tǒng)LC電路的優(yōu)勢(shì)。

三、晶振的振蕩電路——皮爾斯振蕩器（Pierce Oscillator）

說了這么多，你應(yīng)該理解了，平時(shí)所謂的“晶振”，只是一種基于壓電材料的元器件，而且計(jì)算上就把它當(dāng)做是LC電路來分析。作為LC類被動(dòng)型元器件，它可以用于濾波或者相移，但本身不是振蕩器，還需要依靠額外的電路才能獲得穩(wěn)定振蕩。這就要說到振蕩器模型：

圖11-振蕩器模型

如果連續(xù)看過本期系列文章，就知道這個(gè)模型出現(xiàn)過多次，晶振的角色肯定是位于反饋網(wǎng)絡(luò)里的。根據(jù)Barkhausen（巴克豪森）準(zhǔn)則，在振蕩頻率上，晶振要實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)和輸入信號(hào)（熱噪聲）滿足0相位差，起到正反饋的作用。怎么實(shí)現(xiàn)呢？這就說到皮爾斯振蕩器了：

圖12-皮爾斯振蕩器（Pierce Oscillator）

上圖中，線框起來的部分一般都在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，如STM32就是這樣的，但也有例外的單片機(jī)。兩個(gè)C1和C2統(tǒng)稱為負(fù)載電容（通常為數(shù)十個(gè)pF），Rs為串聯(lián)電阻，Rf為反饋電阻，運(yùn)放作為反向器。

為了更好的理解皮爾斯振蕩器的工作原理，我們將上述電路圖改畫如下：

圖13-皮爾斯振蕩器-電路圖

上圖，由于運(yùn)放作為反向器，對(duì)信號(hào)相位改變180°。那么，整個(gè)Rs、C1、C2、晶振構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)的整體相移也需是180°。其中，Rs和C1構(gòu)成一個(gè)RC電路，具體相移多少由兩者參數(shù)而定，但RC電路相移肯定小于90°。這意味著晶振和C2上的相移必定要大于90°才行。

回顧圖7的晶振阻抗特性曲線，只有當(dāng)晶振作為一個(gè)電感的時(shí)候，晶振和C2上的相移才能大于90°。也就是說，晶振的振蕩頻率要求在Fs和Fp之間。

實(shí)際上，所謂的晶振“標(biāo)稱頻率”，如4MHz、8MHz、16MHz，都是在指附加了某個(gè)負(fù)載電容情況下測(cè)得的，這點(diǎn)從晶振的規(guī)格書上可以看到：

圖14-晶振規(guī)格書-負(fù)載電容（見圖中“Load Capacitance”）

可以理解為，負(fù)載電容是晶振正常工作的一部分。

最后，我們來看一下皮爾斯振蕩器的仿真電路圖效果：

圖15-皮爾斯振蕩器-仿真電路圖效果

四、總結(jié)

今天介紹了晶振的壓電效應(yīng)、等效電路、以及振蕩器電路。MCU晶振旁邊通常要加上負(fù)載電容，因?yàn)樗鼈兪钦袷幤髌鹫竦囊徊糠郑皇菫榱藶V波。

值得注意的是，今天說的晶振通常指的是“晶體諧振器”（Crystal Resonator），它是無源的，需要借助外部振蕩電路來工作。還有一種稱為“晶體諧振器”（Crystal Oscillator），在它內(nèi)部有芯片，包含了完整的皮爾斯振蕩器電路，接上電源就能輸出振蕩波形了。