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無源晶振選型

作者： 揚興科技 日期：2024-10-10 瀏覽量：
晶振是一種能夠產生時鐘頻率信號的關鍵元件，廣泛應用于中央處理器（CPU）及其他數字電路中。CPU的所有指令執行都依賴時鐘信號，時鐘頻率越高，通常CPU的運行速度也越快。因此，幾乎所有含有CPU的電子產品中都會包含一個時鐘源。即便在某些電路板上看不到外置的振蕩電路，那也是因為晶振已經被集成到芯片內部，這種情況通常被稱為集成時鐘源。晶振常被視為電路系統的“心臟”，如果“心臟”停止工作，整塊電路板的功能可能隨之癱瘓。因此，晶振的質量成為許多電子設備制造商在選擇元件時的首要考慮因素。

如何判斷晶振的質量呢？有人認為可以通過外觀、包裝或標識進行判斷。然而，晶振作為電子元器件，其質量并不能僅靠外部特征來區分。通常，晶振的“壞”是指其在電路中無法正常振蕩，或者振蕩不穩定。這類問題是由質量問題引起的，還是由于參數匹配不當？對于無源晶振來說，了解其關鍵參數對于判斷其性能尤為重要。


無源晶振作為時鐘電路中的重要組成部分，其性能直接影響著整個系統的穩定性和準確性。無源晶振本身不具備內部振蕩電路，依賴外部電路產生振蕩。因此，選擇合適的晶振并確保其各項參數與電路匹配，是實現高效穩定工作的關鍵。以下是影響無源晶振性能的幾個主要參數：

1. 頻率容差（Frequency Tolerance）

頻率容差表示晶振在標稱頻率上的允許偏差范圍，通常以百分比或百萬分之一（PPM）表示。較小的頻率容差意味著晶振在工作時能更接近其標稱頻率，保證系統的精度和穩定性。 在許多高精度應用中，如通信設備和計時器，低頻率容差是確保系統可靠運行的關鍵。

例如，常見的32.768kHz晶振，通常在±20PPM范圍內，應用于對頻率要求較為嚴格的場合時，頻率容差越小，性能越優異。貼片無源晶振頻率容差通常為±10PPM/±20PPM比較常見。對于插件圓柱晶振，±5ppm是圓柱晶振中精度較高的一個等級，其次10ppm，20ppm，30ppm。

2. 負載電容（Load Capacitance）

負載電容是指無源晶振與外部電路中的電容匹配值，直接影響到晶振的工作頻率。如果負載電容選擇不當，可能導致晶振無法在正確的頻率上運行，影響振蕩電路的穩定性和精度。音叉晶體常見的負載電容有6pF，7pF，9pF，12.5pF；MHZ晶振常見的負載電容以12PF和20PF為廣泛，其次8PF，9PF，15PF，18PF等等比較常用。設計時需根據電路和晶振參數選擇合適的負載電容。

對于精密應用，負載電容需要精確匹配才能確保頻率的穩定性，尤其是在時鐘電路中，負載電容的細微誤差都可能導致系統的頻率漂移。

3. 等效串聯電阻（Equivalent Series Resistance, ESR）

ESR是衡量無源晶振內部能量損耗的一個參數，指晶體在振蕩時產生的內部阻抗。較低的ESR通常意味著晶振能夠更有效地產生振蕩信號，同時減少能量損耗，從而提高電路的啟動性能和頻率穩定性。

如果ESR過高，可能會導致晶振難以啟動或頻率穩定性差，因此，在選擇無源晶振時需要考慮ESR的大小，特別是對于低功耗設計，低ESR晶振是優先選擇。

4. 頻率溫度特性（Frequency vs. Temperature Stability）

溫度變化會影響晶振的振蕩頻率。頻率溫度特性描述了晶振在不同溫度下的頻率漂移情況。對于一些工業級或汽車級應用，要求晶振在極端溫度條件下仍能保持較高的頻率穩定性。例如，工業級晶振的工作溫度范圍通常是-40°C到85°C，而汽車級應用則要求更寬的溫度范圍，如-40°C到125°C。

選擇溫度特性良好的晶振，能夠確保設備在極端環境下依然保持穩定運行。

無源晶振的性能由多個關鍵參數決定，頻率容差、負載電容、ESR、頻率溫度特性等因素共同影響著晶振在電路中的表現。在選擇和應用無源晶振時，合理匹配這些參數，才能確保電子設備長期穩定、高效地運行。

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