无源晶振的工作原理以及主要影响参数
一、无源晶振的工作原理
无源晶振的工作原理基于石英的压电效应。在石英水晶片的两边镀上电极，当在两电极上加一定的电压时，由于石英的压电效应会产生形变，从而给IC提供一个正弦波形。这个正弦波形经过IC的内部整形和PLL（锁相环）电路后，产生方波，然后输入给下级电路。无源晶振必须结合外围电路构成一个振荡器才能输出特定频率的信号，而这个荡器需要外部电源提供驱动电流。
无源晶振构成示意图
二、无源晶振性能的主要影响参数
无源晶振作为时钟电路中的重要组成部分，其性能直接影响着整个系统的稳定性和准确性。无源晶振本身不具备内部振荡电路，依赖外部电路产生振荡。因此，选择合适的晶振并确保其各项参数与电路匹配，是实现高效稳定工作的关键。以下是影响无源晶振性能的几个主要参数：
1. 频率容差（Frequency Tolerance）
频率容差表示晶振在标称频率上的允许偏差范围，通常以百分比或百万分之一（PPM）表示。较小的频率容差意味着晶振在工作时能更接近其标称频率，保证系统的精度和稳定性。在许多高精度应用中，如通信设备和计时器，低频率容差是确保系统可靠运行的关键。例如，常见的32.768kHz晶振，通常在±20PPM范围内，应用于对频率要求较为严格的场合时，频率容差越小，性能越优异。贴片无源晶振频率容差通常为±10PPM/±20PPM比较常见。对于插件圆柱晶振，±5ppm是圆柱晶振中精度较高的一个等级，其次10ppm，20ppm，30ppm。
2. 负载电容（Load Capacitance）
负载电容是指无源晶振与外部电路中的电容匹配值，直接影响到晶振的工作频率。如果负载电容选择不当，可能导致晶振无法在正确的频率上运行，影响振荡电路的稳定性和精度。音叉晶体常见的负载电容有6pF，7pF，9pF，12.5pF；MHZ晶振常见的负载电容以12PF和20PF为广泛，其次8PF，9PF，15PF，18PF等等比较常用。设计时需根据电路和晶振参数选择合适的负载电容。对于精密应用，负载电容需要精确匹配才能确保频率的稳定性，尤其是在时钟电路中，负载电容的细微误差都可能导致系统的频率漂移。
3. 等效串联电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）
ESR是衡量无源晶振内部能量损耗的一个参数，指晶体在振荡时产生的内部阻抗。较低的ESR通常意味着晶振能够更有效地产生振荡信号，同时减少能量损耗，从而提高电路的启动性能和频率稳定性。如果ESR过高，可能会导致晶振难以启动或频率稳定性差，因此，在选择无源晶振时需要考虑ESR的大小，特别是对于低功耗设计，低ESR晶振是优先选择。
4. 频率温度特性（Frequency vs. Temperature Stability）
温度变化会影响晶振的振荡频率。频率温度特性描述了晶振在不同温度下的频率漂移情况。对于一些工业级或汽车级应用，要求晶振在极端温度条件下仍能保持较高的频率稳定性。例如，工业级晶振的工作温度范围通常是-40°C到85°C，而汽车级应用则要求更宽的温度范围，如-40°C到125°C。选择温度特性良好的晶振，能够确保设备在极端环境下依然保持稳定运行。
所以无源晶振的性能由多个关键参数决定，频率容差、负载电容、ESR、频率温度特性等因素确保电子设备长期稳定、高效地运行。