晶振是什么、有什么用、用在哪里
作者：
揚(yáng)興科技
日期：2025-06-25
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晶振自身產(chǎn)生時鐘信號，為各種微處理芯片作時鐘參考，晶振相當(dāng)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(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。
晶振主要運(yùn)用于單片機(jī)、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(yè)術(shù)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(nèi)部。
晶體則是無源晶振的簡稱，也叫諧振器，完整專業(yè)術(shù)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(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)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(yīng)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(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)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(chǎn)生機(jī)械振蕩，反之，如果給它機(jī)械振動，它又會產(chǎn)生交變電壓，這種特性叫壓電效應(yīng)。
在一般情況下，晶片機(jī)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(wěn)定的。但當(dāng)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(xiàn)象稱為壓電諧振。它與LC回路的諧振現(xiàn)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(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)。這個二端網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點(diǎn)，對應(yīng)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(lián)諧振頻率，較高的頻率fp為并聯(lián)諧振頻率。由于晶體自身的特性，這兩個頻率的距離相當(dāng)接近，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振可以進(jìn)一步等效為一個電感。
因此，如果我們在晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容，它就會組成一個并聯(lián)諧振電路。將這個并聯(lián)諧振電路再加到一個負(fù)反饋電路中，就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路。
而且，由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)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(wěn)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(guān)，再加上控制幾何尺寸已經(jīng)可以做到很精密，所以即使其他元件的參數(shù)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(wěn)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(qū)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(nèi)部的振蕩電路）才能產(chǎn)生時鐘信號。無源晶振的頻率穩(wěn)定度主要取決于其內(nèi)部晶體的特性以及外部電路的設(shè)計(jì)，通常頻率穩(wěn)定度在10??至10??量級。其結(jié)構(gòu)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。
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2）普通晶振Simple Packaged Crystal Oscillator（SPXO）
是一種沒有采取溫度補(bǔ)償措施的晶體振蕩器，在整個溫度范圍內(nèi)，晶振的頻率穩(wěn)定度取決于其內(nèi)部所用晶體的性能，頻率穩(wěn)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(chǎn)品。其工作完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)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(bǔ)晶振Temperature Compensated Crystal Oscillator（TCXO）
溫補(bǔ)晶振是在晶振內(nèi)部采取了對晶體頻率溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到在-40℃~105℃的寬溫溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器；頻率穩(wěn)定度在5*10-7~5*10-8量級。
一般模擬式溫補(bǔ)晶振采用熱敏補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，由溫度感受器與頻率補(bǔ)償電路組成，通過溫度感受器的電壓變化控制VCO或變?nèi)荻O管校準(zhǔn)頻率。由于其良好的開機(jī)特性、優(yōu)越的性價比以及功耗低、體積小、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。
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4）壓控晶振Voltage Controlled Crystal Oscillator（VCXO）
壓控晶振是一種可通過調(diào)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?nèi)荻O管及晶體參數(shù)兩者的組合。主要用于鎖相環(huán)路或頻率微調(diào)。
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(shù)點(diǎn)的溫度上。中精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度為10-8~10-9，高精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)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(gòu)成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋"構(gòu)成的差動串聯(lián)放大器，來實(shí)現(xiàn)溫度控制。主要用作頻率源或標(biāo)準(zhǔn)信號。
OCXO被稱為晶體行業(yè)的皇冠，尤其是OCXO用的晶體，需要優(yōu)異的Q和老化，晶體行業(yè)最尖端的技術(shù)均用于了此行業(yè)，此行業(yè)可以說是晶體尖端技術(shù)的集合體。其本質(zhì)上可以說是一個小型電子系統(tǒng)。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(yīng)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(yīng)用場合：如果需要設(shè)備即開即用，需選用SPXO、VCXO和TCXO。如果要求時鐘信號有較高穩(wěn)定度，推薦使用TXCO和OCXO。
三、晶振的應(yīng)用
晶振的應(yīng)用極其廣泛，可以結(jié)合晶振主要參數(shù)進(jìn)行具體應(yīng)用，如輸出頻率 、頻率穩(wěn)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(lǐng)域：
· 科研與計(jì)量：原子鐘、測量設(shè)備、遙測、遙感、遙控等應(yīng)用；
· 工業(yè)領(lǐng)域：通訊、電信、移動/蜂窩/便攜式終端、航空、航海、導(dǎo)航、儀器儀表、計(jì)算機(jī)、數(shù)字設(shè)備、顯示器、磁盤驅(qū)動器、調(diào)制解調(diào)器、傳感器等應(yīng)用；
· 消費(fèi)領(lǐng)域：可穿戴式設(shè)備、智能家居、音響設(shè)備、有線電視系統(tǒng)與電視機(jī)、PC、攝像機(jī)、無線通信、玩具、醫(yī)用裝置與設(shè)備等應(yīng)用；
· 汽車領(lǐng)域：ADAS、中控屏、儀表盤、流媒體后視鏡、車載攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、車聯(lián)網(wǎng)、胎壓監(jiān)測、車載導(dǎo)航等汽車電子應(yīng)用。
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