晶振的構造及工作原理

咱搞硬件的，應該都使用過(guò)晶振，上次寫(xiě)開(kāi)關(guān)電源環(huán)路的零極點(diǎn)的時(shí)候，忽然想到晶振是自己起振的，如果從環(huán)路的角度看，應該就是利用的環(huán)路不穩定的特性，產(chǎn)生自激振蕩。

    除此之外，我又想到下面這些問(wèn)題：

    那么我們使用晶體的時(shí)候，電路的環(huán)路的傳遞函數是怎么樣的呢

    為什么只有晶振的固有頻率能振蕩起來(lái)？

    為什么改變匹配電容，就能改變頻偏？

    為什么晶振電路有的要串電阻，有的沒(méi)有？有的要并聯(lián)1M電阻，有的沒(méi)有？

    既然有了興致，那就借這個(gè)機會(huì )把晶振的內容好好梳理一下，先從基礎開(kāi)始吧。

晶振分類(lèi)

    首先，晶振一般分為兩種，一種叫有源晶振，一種叫無(wú)源晶振。

    有源晶振也叫晶體振蕩器，Oscillator；無(wú)源晶振有時(shí)也叫無(wú)源晶體，Crystal，晶體諧振器。至于哪個(gè)名字更專(zhuān)業(yè)，更準確，我覺(jué)得無(wú)需爭論，名字只是代號而已，大家工作中溝通能知道說(shuō)的是什么就行。

    簡(jiǎn)單說(shuō)有源晶振自己供上電就能輸出振蕩信號，無(wú)源晶體必須額外增加電路才能振蕩起來(lái)。

    以上分類(lèi)是從使用上面來(lái)說(shuō)的。如果我們單看晶振的內部構造，就會(huì )發(fā)現，有源晶振內部是包含了一個(gè)無(wú)源晶振，然后再將阻容，放大等電路也包含進(jìn)去，整體封裝好再給我們用。

    關(guān)于晶體內部結構，我在B站上看到一個(gè)非常清晰的拆解視頻，有興趣可以看看，鏈接是這個(gè)：

    https://www.bilibili.com/video/BV1D5411L7aG

    有源晶振內部構造包含了無(wú)源晶振，所以，一般來(lái)說(shuō)，有源晶振是比無(wú)源晶振是要貴的。另外一方面，我們只要了解了無(wú)源晶振的特性，有源晶振也就差不多了，畢竟，有源晶振可以看成是無(wú)源晶振做成的一個(gè)具體電路，供上電，就能輸出振蕩信號了。

    所以，下面我們就只看無(wú)源晶振（晶體諧振器）

晶體諧振器構造

    首先，晶體諧振器里面的晶體，是指的石英晶體，化學(xué)式是二氧化硅SiO2。石英的特點(diǎn)是：熱膨脹系數小，Q值高，絕緣。

    石英可以做成晶體諧振器，主要是利用了壓電效應。壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應，以下是百度百科的定義：

    意思對應下圖：

    晶體的構造示意圖：

    上圖左邊是晶體構造的示意圖，右邊是我們常見(jiàn)的晶振的符號，二者是不是很像？

    根據對前面壓電效應的理解，晶體可以將電能轉化為機械能，然后機械能又能轉化為電能。如果給晶體通上交流電，那不就是一會(huì )收縮，一會(huì )兒膨脹，這不就是機械振動(dòng)嗎？

    我們知道，機械振動(dòng)的物理尺寸和結構固定之后，它本身一般就有一個(gè)固有的振動(dòng)頻率。當外加信號的頻率與固有振動(dòng)頻率相等時(shí)，就會(huì )發(fā)生共振，產(chǎn)生諧振現象。

    顯然，晶振的頻率，說(shuō)的就應該是這個(gè)固有振蕩頻率。再從無(wú)源晶體也叫“晶體諧振器”，這個(gè)“諧振”，應該就是這個(gè)意思吧。

    除此之外，既然工作原理是機械振動(dòng)，那么性能自然跟晶體的尺寸和結構非常大的關(guān)系。這個(gè)我也查了一下，確實(shí)如此

    晶振頻率與切片厚度，切割工藝的關(guān)系

    切割工藝，就是對晶體坐標軸某種角度去切割。切型有非常多的種類(lèi)，因為石英是各向異性的，所以不同的切型其物理性質(zhì)不同，切面的方向與主軸的夾角對其性能有非常重要的影響，比如：頻率穩定性，Q值，溫度性能等等。

    常見(jiàn)的切割類(lèi)型有兩種，AT和BT切。

    同種頻率的晶振，AT切比BT切的溫度系數要小，切片厚度要薄，但是Q值比BT切要低。下面是晶體頻率同切片厚度，切割類(lèi)型的關(guān)系：

    晶振手冊中，也會(huì )給出切割類(lèi)型，不知道兄弟們有沒(méi)有關(guān)注這個(gè)參數呢？

特殊的晶振---32.768Khz

    從上面看出，AT切的20Mhz晶振的切片很薄，只有0.083mm，但是頻率降低到32.768Khz，如果還是AT切的話(huà)，厚度就是：

    0.083mm*20Mhz/32.768Khz=50.66mm。

    顯然，這個(gè)尺寸太大了。

    我們現實(shí)中看到的32.768khz的晶振顯然是沒(méi)有這么大的，所以可以肯定的是，32.768Khz的晶振肯定不是AT或是BT切，應該是別的方式。

    32.768Khz一般是音叉的結構，就是下面這種：

    我想，可能就是因為常規的AT，BT切片方式做不了低頻的晶振（尺寸太大），所以這種32.768Khz這樣的采用這種音叉結構。

    這讓我想起當年一開(kāi)始使用32.768Khz晶振的時(shí)候，被迫選了個(gè)MC-146封裝的，當時(shí)還覺(jué)得奇怪：別的晶振都能做成3225這種封裝的，就你搞特殊，封裝長(cháng)這么奇怪。

小結

    本節內容先寫(xiě)這么多吧，主要是查閱資料，總結了下晶振構造相關(guān)的，對于硬件設計來(lái)說(shuō)，用處不是特別大，不過(guò)了解下也沒(méi)壞處。

    至于開(kāi)篇提的幾個(gè)問(wèn)題，本節是一個(gè)問(wèn)題也沒(méi)回答，也不著(zhù)急，后面總會(huì )說(shuō)清楚的，我希望是慢慢從0開(kāi)始，構建屬于自己的知識體系，這樣無(wú)論遇到什么問(wèn)題，見(jiàn)過(guò)的，沒(méi)見(jiàn)過(guò)的，總能有分析問(wèn)題的思路。