晶振是电子电路中最常用的电子元件之一,被誉为“电子设备的心脏”,它是电子产品中最常用的不可或缺的组件,小到石英手表、智能手机、智能腕表,大到飞机、卫星都需要晶振。
晶体振荡器
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为石英晶片),封装起来的叫石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部设有IC组成振荡电路的晶体元件称为石英晶体振荡器。但也有人认为晶振是石英晶体谐振器与石英晶体振荡器的总称,因此在选型或采购时一定要注明。
晶振的分类
电子线路中的晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振的英文名称不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。
无源晶振
无源晶振是实质上有两个功能引脚的无极性元件,一个为频率输出脚,另外一个为频率输入脚,这两个脚可以互换。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来。
无源晶振通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电感、电阻等),更换不同频率的晶体时周边配置电路也需要做相应的调整。一般建议采用精度较高的石英晶体,尽可能不要采用精度低的陶瓷晶体(陶振)。
有源晶振
有源晶振有四个引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件,因此体积较大。有源晶振的封装一般有四个引脚,分别为VCC(电压)、GND(地)、OUT(时钟信号输出)、NC(空脚)。
有源晶振不需要CPU的内部振荡器,信号稳定,质量较好,而且连接方式比较简单(主要做好电源滤波,通常使用一个电容和电感构成滤波网络,输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可),不需要复杂的配置电路。
晶振的作用
晶振是数字时钟电路中最重要的部件之一,它的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率。在通常工作条件下,普通的石英晶振频率绝对精度可达百万分之三十以内,高级的精度更高。它就像个标尺,工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定,自然容易出现问题。
石英晶体具有“温漂”,对于工作环境温度具有特殊需求的电子产品及设备,建议在选择晶振产品时,特别注意晶振工作温度这个指标。
晶振的另一个作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振的布线原则
- 晶振内部是石英晶体,如果不慎掉落或受不明撞击,石英晶体易断裂破损,所以晶振的放置远离板边,尽可能靠近MCU的位置布局。
- 耦合电容(又叫外接电容、接地电容)应尽量靠近晶振的功能管脚,如果需要多个耦合电容,按照电源流入方向,依次容值从大到小摆放;晶振则要尽量的靠近MCU。
- 所有连接晶振频率信号输入端及输出端的导线尽量短且等长,以减少噪声干扰及分布电容对晶振的影响。
- 尽可能保证晶振周围没有其它元件。防止器件之间的互相干扰,影响时钟和其他信号的质量。晶振周围1mm禁布器件,0.5mm禁布过孔走线,所有晶振下不打过孔(包括地过孔)。晶振要远离电源。
- 晶振的外壳要接地,除了防止晶振向外辐射,也可以屏蔽外来的干扰。