如何理解晶振负载电容

晶振可分为有源晶振和无源晶振两种类别,且有源晶振下又分为温补晶振,压控晶振,压控温补晶振,差分晶振等.大多数的石英晶振产品都具有一个参数那就是负载电容,其实在大多数情况下我们都只知道参数值但并不知道工作原理和意义,只知道对于晶振来说很重要,但是对具体怎么重要了,重要在哪就很懵了.接下来咱们就对晶振负载电容做详细分析.

晶振负载电容是指在电路中跨接晶体两端总的外界有效电容.是指晶振要正常震荡所需要的电容.一般外接电容,是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容.要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容.应用时一般在给出负载电容值附近调整可以得到精确频率.此电容的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻.

晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd,Cg为分别接在贴片晶振的两个脚上和对地的电容,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

各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器.晶振引脚的内部通常是一个反相器,或者是奇数个反相器串联.在晶振输出引脚XO和晶振输入引脚XI之间用一个电阻连接,对于CMOS芯片通常是数M到数十M欧之间.很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻,引脚外部就不用接了.这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处与线性状态,反相器就如同一个有很大增益的放大器,以便于起振.石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间,等效为一个并联谐振回路,振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率.晶体旁边的两个电容接地,实际上就是电容三点式电路的分压电容,接地点就是分压点.以接地点即分压点为参考点,振荡引脚的输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶振两端来看,形成一个正反馈以保证电路持续振荡.在芯片设计时,这两个电容就已经形成了,一般是两个的容量相等,容量大小依工艺和版图而不同,但终归是比较小,不一定适合很宽的频率范围.外接时大约是数PF到数十PF,依频率和石英晶体谐振器的特性而定.需要注意的是:这两个电容串联的值是并联在谐振回路上的,会影响振荡频率.当两个电容量相等时,反馈系数是0.5,一般是可以满足振荡条件的,但如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量,而增加输出端的值以提高反馈量.

设计考虑事项:

1.使晶振、外部电容器(如果有)与IC之间的信号线尽可能保持最短.当非常低的电流通过IC晶振振荡器时,如果线路太长,会使它对EMC、ESD与串扰产生非常敏感的影响.而且长线路还会给振荡器增加寄生电容.

2.尽可能将其它时钟线路与频繁切换的信号线路布置在远离晶振连接的位置.

3.当心晶振和地的走线

4.将晶振外壳接地

如果实际的负载电容配置不当,第一会引起线路参考频率的误差.另外如在发射接收电路上会使石英晶体振荡器的振荡幅度下降(不在峰点),影响混频信号的信号强度与信噪.

当波形出现削峰,畸变时,可增加负载电阻调整(几十K到几百K).要稳定波形是并联一个1M左右的反馈电阻.

一般情况下,振荡频率会随着负载电容的变化而变化,当负载变大时,振荡频率会变小;反之,当负载电容变小时,振荡频率也会相应的变大,可见两者成反比的关系.负载电容指的是外部所有有效电阻之和,且负载频率不同决定了振荡频率不同.它既是一个测试条件,又是一个使用条件,合适的负载电容才能有效的发挥晶振的最好功能特性.