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详解无源晶体与有源晶振

普通压电无源石英晶体是一种无极性元件,晶体内部本身只有经过加工的单一石英晶片,英文单词叫做(Quartz crystal)需要借助设计的电路才能产生振荡信号,单晶振本身是无非发生振荡的,插件的一般常规都是二个脚,当然也会有三个脚的,中间那个脚一般用来接地,当然随着科技的发展,后来有了四个脚的普通贴片谐振器,四个脚其实只要二个脚才是真正通电工作的,剩余两个脚一个是悬空,一个是可以用来接地(可接可不接)。

晶体振荡器也分为无源晶体和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振(谐振)的英文名称不同,无源晶体为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶体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,所以“无源晶振”这个说法并不准确;有源晶振是一个完整的谐振振荡器。

有源石英晶体振荡器是最少拥有最少4个脚的的产品,四个脚的用途是:一脚悬空,二脚接地,三脚接输出,四脚接电压,电压也有分为以下几种,1.8V-2.5V-3V-3.3V-3.8V-5V等电压,振荡器内部本身除了有加工过的压电石英晶片外.

还有有源振荡器IC,以及电阻两颗,电容两颗,有些会有一颗三级稳压管等原件,插件的外观体积比较大,但是随着现在的科技发展,有源晶振体积也从最初的超大体积长20mm,宽11mm,到现在的2.5mm长,宽2.0mm的小尺寸,有源晶振的英文单词简称为(Quartz crystal oscillator)。

准确的叫法:

详解无源晶体与有源晶振

2. 无源晶体和有源晶振的优缺点

无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差,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需要做相应的调整。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警惕。

相对于无源晶体,有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的,需要选择好合适输出电平,灵活性较差,而且价格高。对于时序要求敏感的应用,有源的晶振好,因为可以选用比较精密的晶振,甚至是高档的温度补偿晶振。

3、有源晶振的管脚

无源晶振两个管脚可以任意。

有源晶振根据封装不同,管教排列不同(打点的为“1脚”,逆时钟看)

详解无源晶体与有源晶振

有个点标记的为1脚,按逆时针(管脚向下)分别为2、3、4。

有源晶振通常的用法:一脚悬空,二脚接地,三脚接输出,四脚接电压。

方形有源晶振引脚分布:

1、正方的,使用DIP-8封装,打点的是1脚。

1-NC;4-GND;5-Output;8-VCC

2、长方的,使用DIP-14封装,打点的是1脚。

1-NC;7-GND;8-Output;14-VCC

BTW:

1、电源有两种,一种是TTL,只能用5V,一种是HC的,可以3.3V/5V

2、边沿有一个是尖角,三个圆角,尖角的是一脚,和打点一致。

Vcc out

NC(点) GND

4. 拆解有源晶振

可以看到 有源晶振 = 无源晶体+逻辑电路

5. 输出的波形

如果有源晶振把整形电路做在有源晶振里面了的话,输出就是方波,但很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波,这是由于示波器的带宽不够,好像有源晶振20MHz,如果用40MHz或60MHz的示波器测量,显示的是正弦波,这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加,带宽不够的话,就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波,所以显示正弦波。完美的再现方波需要至少10倍的带宽,5倍的带宽只能算是勉强,所以需要至少100M的示波器。

有源晶振 = 无源晶体+逻辑电路;那么关于晶体的其他问题:

1、晶振规格书里面我们常看到的CL代表什么了?

CL是指制作石英振荡器加进去的负载电容,所以当用到振荡器的时候就要用到相等的容抗,这样子振荡频率才会准确。单位通常都是PF。32.768K晶振系列的负载电容常见的有12.5PF,6PF,9PF等。MHZ系列的石英晶振常见的负载电容有12PF,15PF,20PF,22PF等。

其实对于晶振来说,其是不需要电容的。而对于晶体则是需要电容的。按照晶振的实际频率和标称频率之间的关系:

Fx = F0(1+C1/(C0+CL))^(1/2);

而CL = Cg*Cd/(Cg+Cd)+Cs;其中Cs为杂散电容,Cg和Cd为我们外部加的两个电容,通常大家取值相等,它们对串联起来加上杂散电容即为晶振的负载电容CL。我们可以从中得知负载电容的减小可以使实际频率Fx变大,

从以上的计算公式来说,可以得出一定的结论。那就是晶振电路上的两个电容可以不相等,通过微调电容的值可以微调晶振的振荡频率,不过如果测了几片晶振,频率有大有小,而且偏移较大,那么这个晶振显然是不合格的。

对于晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容。这个是必须要掌握和了解的关键所在。Cic(集成电路内部电容)+△C(PCB上电容)。就是说负载电容15pf的话,两边个接27pf的差不多了,一般a为6.5~13.5pF中所提到的Cic,个人理解应该是晶体内部晶片引线间的寄生电容,此电容一般最大值在7pf(datasheet给出的值),实际一般在3~5pF,在计算外接的两个电容值时,要考虑到此值。

综上所述,负载电容对晶振的影响是很大的。因此对于负载电容的使用是需要根据实际需求来选择的。并非是在任何的情况下使用都能够达到好的效果。毕竟对于晶振来说,其本身是不需要电容的。

2、那么规格书中单位是PPM的又代表什么了。

PPM是Part Per Million的缩写,其意指百万分之的频率跳动值;用实际的频率减目的频率再除以目的频率,且将小数点向前移动6位数即正确的PPM值。之前晶振最新行情中的文章提到过知道晶振的精度值如何求出时间误差。那么在我们知道实际频率和目的频率的情况,我们如何算出PPM值。泰河电子和大家分享这个技术知识,觉得有用就收藏我们的网页吧。

例如:目的频率是25.000000MHZ,实际频率是25.000015。简单求出精度PPM,带入上面说到的公式就可以轻松求出PPM。(25.000015-25.000000)/25.000000=0.0000006.将小数点向前移动六位数,得出0.6PPM。2PPM以下最常见的晶振数有源晶振较多。有源晶振市场上用到的温补晶振也是最为较多的。无源晶振中精度最高做到5PPM。部分要求严格的产品,泰河电子可接受订做。详情需要和业务部联系。无源贴片晶振精度最常用的为10PPM,20PPM,30PPM。而插件晶振中精度较高的为5PPM。不过市场上常规的都是用20PPM。

3、为什么晶振属于易碎元器件了。

当快递过来收货的时候,我们都会提醒业务员,此物品为易碎物品,需要贴上易碎的标签。为什么表面看上去坚硬的石英晶振,反而属于易碎产品了呢?因为晶振能正常运行工作,取决于内部的水晶芯片。

晶振自身晶片厚度比较薄。以25MHZ的贴片晶振为例,它内部的芯片厚度约0.0668mm。若是晶振从高空掉落,或者是直接摔在地上,内部的芯片很容破损,导致晶振无法正常运行。因此在焊接时候,千万要注意手中的晶振,不要轻易掉落。

4、为什么要采用水晶振动子来制作石英振荡器。

因为其本身所产生的振荡频率,相对其他振荡元件来的准确和稳定一些,而且容易设计及线路简单是它的最大优点。

5、频率范围在MHZ和数百MHZ的石英晶振都是采用什么样的切割方式。

根据不同的应用领域以及工作温度需求,也有了很多许多不同的石英切割角度分类。例如AT-,BT-,CT-,NT,GT.。。。等不同的切割板片。 不同的切割方向的板片具有不同的弹性常数张量(elastic constant tensor), 不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor)。 这些张量在石英组件的设计及应用上展现了不同的振荡及温度特性。 在各种不同种类的切割角度方式中, AT角度切割的石英芯片适用在数MHz到数

本文部分内容摘录自TJS发表在电子技术网上的博客

编辑;jq

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