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晶振的概念、分类、应用以及作用原理
原标题：晶振的概念、分类、应用以及作用原理
晶振又称为石英晶体振荡器，简称晶振，它现在被广泛运用于家用电器和通信设备中，它具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点。下面，贤集网的小编就来为大家介绍一下晶振的概念、分类、应用以及作用原理。
晶振的概念
石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。
这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。
利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。
晶振的分类
按制作材料，分为石英晶振和陶瓷晶振。
晶振的类型：
1、简单晶振(XO)：这是最基本的类型，其稳定性完全由晶体谐振器本身的固有特性决定。 MHz范围内的较高频率晶体由石英棒制成，其制造工艺应满足：即使环境温度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之间变化，也可提供相对稳定的频率。即使在这么宽的温度范围内，适当切割的石英晶体也可实现±25ppm的稳定性。与诸如随温度变化可达1％(10,000ppm)或更高的LC振荡电路等其它无源谐振器相比，晶体振荡器的性能有了根本提升。但对于某些应用来说，即使25ppm也不够好，因此必须采用额外措施。
2、温度补偿晶振(TCXO)：如果固有频率与石英晶体的温度稳定性不能满足应用要求，可以采用温度补偿单元。 TCXO使用温度感测器件以及产生电压曲线的电路，在整个温度范围内，该电压曲线与晶体的频率变化趋势完全相反，所以可理想地抵消晶体的漂移。 根据TCXO的类型和温度范围，TCXO的典型稳定性规范范围为小于±0.5ppm至±5ppm。
3、恒温控制晶振(OCXO)：对于某些应用，TCXO的频率-温度稳定性指标仍无法满足要求。在这些情况下，可能需要OCXO。顾名思义，具有烤腔的振荡器将晶体加热到更高温度，该被控温度使得即使环境温度可能变化很大，晶体的温度也保持稳定。由于晶体的温度和振荡器的敏感部分的变化很小，频率-环境温度稳定性得到显着改善。在环境温度范围内，OCXO的稳定性可以达到0.001ppm。然而，这种稳定性的提升是以增加功耗为代价的，将热量提供给烤腔当然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率来维持内部温度。在开机后，还需要等待温度和频率稳定下来的暖机时间，取决于晶振类型，暖机时长通常从1分钟到10多分钟。
4、压控晶振(VCXO)：在一些应用中，期望能够调谐或调整振荡器的频率，以便将其锁相到锁相环中的参考、或还可能是对波形进行调制。VCXO通过电子频率控制(EFC)电压输入提供此功能。对于某些专用器件，VCXO的调谐范围规范可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。
石英晶体振荡器定义：
利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体振荡器分类：
（1）、非温度补偿式晶体振荡器。
（2）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）。
（3）、电压控制晶体振荡器（VCXO）。
（4）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）。
（5）、数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）。
其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准（JIS）中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。
晶振的应用
（1）、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。
（2）、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。面且晶振价格便宜，更换容易。
（3）、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。
陶瓷晶振定义：
是指用陶瓷外壳封装的晶振,跟石英晶振比起来精度要差一些,但成本也比较低,主要用在对频率精度要求不高的电子产品中。
按外形，分为长方形晶振、圆柱形晶振、椭圆形晶振。
按封装形式，分为玻璃真空密封型晶振、金属壳封装型晶振、陶瓷封装型晶振、塑料壳封装型晶振。
按照封装形式还可以分为贴片和直插。
按谐振频率精度，分为高精度型、中精度型和普通型晶振。
按应用特性，分为串联谐振型晶振和并联谐振型晶振。
晶振的作用原理
每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。
晶振的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。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
晶振一般采用如图1a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。
晶振的选择办法
设计中，大多数电子系统需要某种振荡器作为其关键功能块。 一些典型的用途包括：用于同步操作的数字系统中的时钟；用于接收器或发射器的稳定RF信号；用于精确测量的精确频率参考；或用于精确计时的实时时钟。系统规范以及要求振荡器所起的作用将决定晶振的大多数参数。
任何振荡器中的关键部件都是谐振器，它将控制频率并确定可以实现哪种水平的稳定性。
尽管采用LC或RC谐振器实现的简单振荡器可满足一些应用的要求，但是添加石英晶体将可大幅地将器件的频率稳定性提高好几个数量级，且通常所需的成本很小。
1、输出频率
任何振荡器最基本的属性都是它生成的频率。根据定义，振荡器是接受输入电压(通常为直流电压)并在某一频率下产生重复交流输出的器件。所需的频率由系统类型和如何使用该振荡器所决定。
一些应用需要kHz范围内的低频晶体。一个常见的例子是32.768 kHz手(钟)表晶体。 但是大多数当前的应用需要更高频率的晶体，范围从小于10MHz到大于100MHz。
2、频率稳定性和温度范围
所需的频率稳定性由系统要求确定。振荡器的稳定性可简单地表述为：由于某些原因引起的频率变化除以中心频率。
即：稳定性=频率变化÷中心频率
例如，如果振荡器输出频率为10MHz，并且随温度变化了10Hz，则其温度稳定性为：10 / 10,000,000 = 1x10-6 = 1ppm。 晶振的典型稳定性可以在100ppm至0.001ppm之间。 频率稳定性通常由应用要求决定，并进而确定将需要的晶振类型。振荡器必须工作的温度范围是确定可以达到的稳定性的主要因素。
晶振应用中的常见问题及解决方法：
晶振不起振问题归纳：
1、 物料参数选型错误导致晶振不起振
例如：某MCU需要匹配6PF的32.768KHz，结果选用12.5PF的，导致不起振。
解决办法：更换符合要求的规格型号。必要时请与MCU原厂或者我们确认。
2、 内部水晶片破裂或损坏导致不起振
运输过程中损坏、或者使用过程中跌落、撞击等因素造成晶振内部水晶片损坏，从而导致晶振不起振。
解决办法：更换好的晶振。平时需要注意的是：运输过程中要用泡沫包厚一些，避免中途损坏;制程过程中避免跌落、重压、撞击等，一旦有以上情况发生禁止再使用。
3、 振荡电路不匹配导致晶振不起振
影响振荡电路的三个指标：频率误差、负性阻抗、激励电平。
频率误差太大，导致实际频率偏移标称频率从而引起晶振不起振。
解决办法：选择合适的PPM值的产品。
1、负性阻抗过大太小都会导致晶振不起振。
解决办法：负性阻抗过大，可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调大来降低负性阻抗;负性阻抗太小，则可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调小来增大负性阻抗。一般而言，负性阻抗值应满足不少于晶振标称最大阻抗3-5倍。
2、激励电平过大或者过小也将会导致晶振不起振
解决办法：通过调整电路中的Rd的大小来调节振荡电路对晶振输出的激励电平。一般而言，激励电平越小越好，处理功耗低之外，还跟振荡电路的稳定性和晶振的使用寿命有关。
3、晶振内部水晶片上附有杂质或者尘埃等也会导致晶振不起振
晶振的制程之一是水晶片镀电极，即在水晶片上镀上一次层金或者银电极，这要求在万级无尘车间作业完成。如果空气中的尘埃颗粒附在电极上，或者有金渣银渣残留在电极上，则也会导致晶振不起振。
解决办法：更换新的晶振。在选择晶振供应商的时候需要对厂商的设备、车间环境、工艺及制程能力予以考量，这关系到产品的品质问题。
4、晶振出现漏气导致不起振
晶振在制程过程中要求将内部抽真空后充满氮气，如果出现压封不良，导致晶振气密性不好出现漏气;或者晶振在焊接过程中因为剪脚等过程中产品的机械应力导致晶振出现气密性不良;均会导致晶振出现不起振的现象。
解决办法：更换好的晶振。在制程和焊接过程中一定要规范作业，避免误操作导致产品损坏。
以上，就是贤集网小编为您介绍的晶振的概念、分类、应用以及作用原理。晶振在我们日常生产生活中有着十分广泛的运用，但是晶振的电路板一般不建议用超声波清洗，避免发生共振而损坏晶振导致不良。为了更好地发挥晶振的优点，我们要按照晶振的使用方法来使用。
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谁能告诉我这部分电路是有什么作用，中间那个像电视的原件叫什么，有什么作用。
我有更好的答案
接法是固定的，上面的端口接单片机的XTAL1和XTAL2两个口，电流就是人的血液。我想这样比喻恰当一些这部分电路应该是单片机需要接入的晶振电路。如果把电路的硬件设备比喻人的身体，软件程序比喻人的思想，那么这个晶振电路相当于人的心脏，中间的那个是晶振，还有两个电容是帮助晶振启动，还有一端接地（如图所示）
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小器件大创新 CMEMS技术撼动石英晶体振荡器百年“霸业”
[导读]台湾一个科学家做了一个实验：他请了50名志愿者看房间内所有蓝色的物体30秒。然后请他们闭上眼睛，问他们看到了多少个红色、绿色和黄色的物体?这下他们都傻眼了，因为他们只专注蓝色的物体，没有注意到其它颜色的物体
台湾一个科学家做了一个实验：他请了50名志愿者看房间内所有蓝色的物体30秒。然后请他们闭上眼睛，问他们看到了多少个红色、绿色和黄色的物体?这下他们都傻眼了，因为他们只专注蓝色的物体，没有注意到其它颜色的物体。本文引用地址:
其实，类似的情景在每个人身上几乎都会发生，我们总是习惯性地选择性忽视一些事物。发生在电子工程师身上的最新例证就是，CMEMS可编程振荡器凭借完全集成的、高可靠性的CMEMS(CMOS+MEMS)技术，实现了更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度和更短交付周期的单晶片(single-die)振荡器解决方案。然而，在由石英晶体(XO)解决方案垄断上百年的频率控制和定时产品市场中，工程师的惯性思维使得他们很难将目光从石英晶体振荡器(XO)移向他的小伙伴CMEMS可编程振荡器。
&现在，通过我们的不断努力，越来越多的工程师和厂商接受了CMEMS这种时钟产品，我们今年CMEMS产品的交货量预计会有非常显著的增长。&Silicon
Labs(芯科实验室有限公司)在中国的核心代理商世强产品经理Steven Zhang
表示，&我们期待更多工程师能了解CMEMS可编程振荡器的独特优势，在更多的应用领域能撼动石英晶体振荡器百年&霸业&。&
频率控制技术的演进
每年30亿美元的频率控制市场已经由石英晶体和基于石英的振荡器占据了几十年，几乎所有类型的电子设备都依赖一小片由机器加工的石英岩的作用去生成至少一种可能的操作频率。然而，基于石英的频率控制设计仍有很多限制。例如，他需要更专业化和复杂生产流程，长的、易变动的交付时间(几周到几个月)等。
为了克服石英晶体的这些缺点，在过去的五年里，微机电系统(MEMS)解决方案开始发展。MEMS技术最初源于对更小外形尺寸的追求，目前已呈现出其他显著的优势，包括交付时间、供应稳定性、产品可靠性、器件尺寸和性价比等，这些优势使基于MEMS的振荡器占有部分基于石英的频率控制市场。如下图1所示为频率控制技术的演进。
图1. 频率控制技术的演进
尽管MEMS谐振器技术已经解决了石英晶体的基本缺陷，但刚刚进入竞争激烈的频率控制市场，它也存在一些缺点。首先，MEMS器件小于石英晶体，所以无法提供更多能量到振荡周期。这意味着，在相同的频率下转换效率低，从而造成信噪比较差。第二，传统的MEMS材料，例如单晶硅、多晶硅，甚至聚硅锗，随温度变化的漂移显著，这会带来信号完整性和热滞问题。
2010年，Silicon Labs通过收购一家名为Silicon
Clocks的公司，获得了在大批量生产中把MEMS架构直接构建于标准CMOS晶圆上，实现完全集成的、高可靠性的CMEMS技术。&在标准CMOS芯片上集成高精度振荡器的梦想，已经由Silicon
Labs公司和他们最新推出的Si50x CMEMS振荡器系列变为现实。&Steven Zhang 表示。
CMEMS技术是频率控制市场的重要技术进步。通过结合MEMS和CMOS两者的最好特性，CMEMS可编程振荡器能够为成本和功耗受限的嵌入式、工业和消费类电子应用提供最佳的通用型振荡器解决方案。
CMEMS相比XO的优势
相比传统的石英晶体振荡器(XO)，Si50x CMEMS可编程振荡器主要有下面这些优点：
1、针对成本、空间和功耗敏感型应用的通用振荡器;
2、定制样片交付时间少于2周;
3、直接替换晶体振荡器 (XO) ;
4、在客户现场使用现场编程器立即定制样片;
5、高稳定性和可预见性供应链;
6、在全温度范围、撞击、震动等环境下，具有10年的高稳定频率输出;
7、性能与XO相比，在震动、撞击、温度和老化环境下更可靠。
传统的石英供应链复杂、高成本，且低效率。他们高定制化的制造流程(几周到几个月的交付时间)不仅增加供应链的管理难度，同时还限制参考振荡器产生的频率范围。随着计算、通信和网络装置的数据速率的增长，这种限制对提供高质量高频时钟信号时钟的合成将产生更多压力。CMEMS工艺流程极大简化了供应链。大大缩短交付时间(小于2周)和从kHz到GHz输出频率的无限可编程性。
图2. CMEMS定制样片交付时间少于2周
&更好的谐振器等于更好的稳定性，CMEMS技术确保数据手册中的性能具有10年的频率稳定性，包括焊接偏移、负载牵引、VDD变化、运行温度范围、振动和冲击，并保证操作寿命性能是其他公司XO和MEMS振荡器的10倍。&
Steven Zhang说。
Si50x在全温度范围内具有高稳定的频率参考，传统的MEMS谐振器具有-30-40ppm/&C的频率漂移，而CMEMS频率漂移 《
&1ppm/&C。与其它解决方案相比，温度稳定性高5-10倍。如下图3所示，使用经典的&魔鬼测试&，包括暴露在骤冷和骤热环境中，Si50x都表现出出色的频率稳定性。全温度范围内具有更可靠的一致性工作性能，增强了目标应用的长期稳定性。
图3. Si50x抗骤冷骤热变化能力
此外，Si50x还是高稳定和可靠的振荡器，与同类晶体相比，原子质量小于61000倍，这使它不易受撞击、震动、加速度和老化影响。
Si50x强势替代传统XO
结合Silicon
Labs混合信号的专业知识，CMEMS技术可以采用单一参考频率生成几乎所有频率输出，并且输出频率与大批量生产的晶体振荡器一样稳定，解决了热滞或信号完整性问题，具有高度耐冲击和振动能力，并具有10年以上的&20ppm频率稳定性保证。CMEMS单芯片振荡器将会成为晶体振荡器的替代解决方案。
Si50x CMEMS 振荡器系列产品包括针对工业、嵌入式和消费电子市场的四种可编程芯片，如下图4所示。每种芯片都可通过网络或现场定制。
图4. Si50x CMEMS 振荡器系列产品概述
&Si501/2/3/4是通用XO替代产品，适用于应用需要：低功耗 (1&8mA)、低频率，LVCMOS时钟 (《100MHz)、小尺寸
(2.0x2.5mm)、低成本 (~$0.50 10K EAU)、高可靠性(高振动，高温度)、好的消费/嵌入式抖动性能 (1.1ps RMS
周期抖动)的系统中。& Steven Zhang表示。
此外，针对消费类、嵌入式和工业中的通用定时需求，Si50x不仅是SoCs， CPLDs， mPs， FPGA
数字逻辑的理想时钟源，也是消费/嵌入式应用于中数据通路的理想时钟源，例如，SAS， SATA， DDR3和PCIe。
&目前世强不推荐将Si50x用于通信应用，因为通信应用通常需要低相位抖动(《1ps RMS 12kHz-20MHz)， Silicon Labs晶体振荡器
(Si51x， Si53x， Si59x)
更适用于这种应用。&&但是我们今年下半年推出的SI504/5/6/7/8/9等高精度，低抖动，更高频率输出的延续产品可以满足众多通讯时钟需求。&Steven
Zhang强调。
如下图5所示，Si50x CMEMS振荡器与Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性价对比表。Si50x系列产品完善了Silicon
Labs的振荡器产品系列。Si501/2/3/4系列产品针对工业、嵌入式和消费类市场中低成本、低功耗、通用目的振荡器。而Silicon
Labs的Si51x/9x/3x针对具有高性能、低相位抖动需求的通信和数据传输应用。
图5. Si50x CMEMS振荡器与Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性价对比表
&Si50x振荡器可提供网络定制的2周样品交付周期，世强的FAE还可以在客户现场即刻编程，使用现场编程器进行0延时样片交付。这种灵活的可编程性，使得Si50x
系列产品可以快速满足客户的特殊需求。此外，Si50x振荡器与现有的石英或MEMS振荡器引脚和封装兼容，可实现快速便捷的替换解决方案。& Steven
Zhang表示。
图6. 使用现场编程器进行0延时样片交付
应用设计实例
Si50x应用目标锁定于工业安防，变频伺服等需要超长寿命需求，以及数码相机、存储和内存、ATM机、POS机和多功能打印机等需要小封装晶振的领域。能够可靠和有效的用于典型的目标应用，包括：
SoC视频应用处理器 (Roku)
10/100快速以太网 (SoC & NIC/LOM 实现)
USB 2.0 (480Mbps)
USB 3.0 (5Gbps)
作为众多MCU的参考时钟取代传统晶振
如下图7所示，在10/100快速以太网应用中，分别在低抖动和低功耗模式下测量Si501
EVB的抖动。测试结果显示，Si501在低抖动模式下几乎与R&S高端信号发生器的随机抖动性能相同，Si501在低功耗模式下抖动性能稍有下降，但仍具有可接受的系统抖动裕量。所以，Si50x适合作为10/100快速以太网参考时钟。
图7. 10/100快速以太网&&分别在低抖动和低功耗模式下测量Si501 EVB的抖动
如下图8所示，在USB 2.0的应用中，对比石英晶体振荡器，Si501低抖动模式和低功耗模式的眼图抖动性测试，所有配置均通过USB
2.0兼容性测试，Si501性能等于或超过典型的解决方案，所以Si501适用于作为USB2.0的参考时钟。
图8. USB 2.0兼容性测试
Steven Zhang
最后特别指出：&Si50x的产品定位就是取代传统的XO，所以他的价钱也和XO相当，客户不用担心用不起。所以，工程师们请不要再囿于自己惯性思维的泥潭而不能自拔。不管你愿不愿意，CMEMS
振荡器已经来了。&
世强成立于1993年，总部深圳，是包括安华高、瑞萨电子、英飞凌、acam、Rogers、Silicon
Labs、Micrel、Littelfuse、NEMICON、EMC & RF
Labs、EPSON、Flir、安捷伦等在内的全球知名半导体企业及仪器公司在大中国区的重要分销商，同时也是众多电子制造和研发企业的重要供应商，产品业务广泛覆盖通信设备、工业电子、智能四表、汽车电子、消费电子、智能手机等领域。
作为技术驱动型分销企业，世强还拥有成熟的技术支持团队和系统的服务流程，根据需求向客户提供新产品推介、快速样品、应用咨询、方案及软件设计、开发环境、售后及物流等方面的专业服务。
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