浅谈硬件电路设计中晶体、晶振、负载电容

在硬件电路设计中经常会涉及到时钟信号，具体包含晶体、晶振、有源晶振与无源晶振等。

一、晶体

晶体：英文 Crystal，电路上一般会简写为 XTAL，需要外加时钟电路才能输出时钟信号，所以一般叫无源晶振，也叫谐振器。

晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现，这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。

普通的单片机需外接晶体和两个电容，以STM32单片机为例，其OSC_IN和OSC_OUT是外部时钟源HSE的输入引脚，STM32的HSE时钟可以使用晶体或者晶振提供时钟源。

1.晶体一般是 2 脚或者 4 脚，2 脚最常见，晶体无极性，直插到PCB板子上，没有接地，精度低，

2.不供电，又称晶体谐振器，需要RC谐振电路才可以起振

二、晶振

晶振，英文 Crystal oscillator，电路上一般简写为 XO，内部有时钟电路，供电即可产生时钟信号，所以一般叫有源晶振，也叫振荡器。

晶振一般是 4 脚，1 个 VCC，2 个 GND，1 个 Output。

1.一般4个管脚（电源端、地、输出、还有一个压控或者悬空端子）贴片式

2.又称石英晶体振荡器

3.内部有时钟电路，供电即可产生时钟信号

我们再看一下晶振的种类：

Package 石英振荡器，英文 SPXO：不施以温度控制及温度补偿的石英振荡器。频率温度特性依靠石英振荡晶体本身的稳定性。

温度补偿石英振荡器，英文 TCXO：附加温度补偿回路，减少其频率因周围温度变动而变化之石英振荡器。

电压控制石英振荡器，英文 VCXO：控制外来的电压，使输出频率能够变化或调变的石英振荡器。

恒温槽式石英振荡器，英文 OCXO：以恒温槽保持石英振荡器或石英振荡晶体在一定温度，控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器。

可以看到，不管是 VCXO 还是 TCXO，内部都带有电路进行补偿，所以价格上会比晶体贵，质量和准确度也会比晶体高不少，比如 GPS 上一般会选用 TCXO。

下面看一下晶振最重要的几个参数：

标称频率（Normal Frequency）：晶振的标准频率，如 26MHz、32.768KHz 等。

频率误差（Frequency Tolerance）或频率稳定度（Frequency Stability）：用单位 ppm 来表示，即百万分之一，是相对标称频率的变化量，此值越小表示精度越高，1MHz 的晶振，1 个 PPM 就是 1Hz 的偏差。

温度频差（Frequency Stability vs Temp）：表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离，它的单位也是 ppm。

负载电容 CL：负载电容是指晶振正常工作震荡所需要的电容。为使晶体能够正常工作，需要在晶体两端外接电容，来匹配达到晶体的负载电容。

那负载电容如何确定呢？

计算公式：CL=C1*C2/（C1+C2）+Cic+△C

C1 和 C2 为晶振两脚对地电容，称为匹配电容。

Cic 为集成电路内部电容，△C 为 PCB 板上电容，一般大小为 3~5pF。

匹配电容一般取 C1=C2=2CL，这样并联起来就接近负载电容 CL 了，在一般情况下，增大负载电容会使振荡频率下降，而减小负载电容会使振荡频率升高。

如果 crystal 所接的 IC 内部有负载电容，那外部的 C1 和 C2 就不需要了。

一般 IC 的数据手册中会给出负载电容的大小。
编辑：hfy