无源晶振如何用

一、晶振的分类

我们都知道单片机的所有操作均依赖时钟信号的驱动，时钟信号的稳定性直接影响系统的可靠性和性能。目前市场上的单片机普遍内置了RC振荡器，有时候考虑成本或者应用背景，就直接使用内置的RC振荡器作为单片的系统时钟源；而外部晶振的工作原理是利用石英晶体的压电效应，通过机械振动与电场转换实现稳定的频率输出，在系统稳定性和抗干扰方面，外接晶振是不可或缺的配置。（下面我们主要探讨的都是外接晶振）

1.无源晶振：

这种晶振没有内置振荡电路，需要依赖外部电路来产生振荡信号。它一般有两个引脚，无极性。它自身无法震荡起来，一般外部都接有两个10-22PF的瓷片电容。

2.有源晶振：

它是一种内部集成了振荡电路的晶振，不需要额外的外部元件就能产生振荡信号。
有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。有源晶振的封装有4个引脚，分别为VCC（电压）、GND（地）、OUT（时钟信号输出）、NC（空脚）。

无源晶振不需要外部电源供电，但要产生振荡，通常需要与一个外部的振荡器电路配合，而这个电路需要供电。有源晶振是由晶体和一个内部的放大器电路组成的，这个放大器电路需要外部供电来驱动，使得晶体产生稳定的振荡。

二、无源晶振分析

1.实际的无源晶振

大部分都是两个引脚的，但也有少数是四脚的无源晶振，但它本质仍然是石英晶体，需依赖外部电路起振。在连接方式上，两脚为晶体两端（等效两引脚无源晶振），另两脚为外壳接地或悬空，起固定作用。

2.电容匹配问题

在无源晶振的实际应用中，大多数情况下遇到的问题都是与外接电容(对地电容)与无源晶振负载电容(CL)不兼容所致。

核心作用：频率微调：负载电容CL与晶振参数共同决定实际频率；
起振稳定性：电容过大或过小可能导致停振活幅度不足。

理论上的电容计算参考公式：

其中：CL——无源晶振的负载电容；
CS——电路板的杂散电容，一般我们取值为3-6PF之间；
C1、C2——外接电容。

3.举个小例子

上图是我在立创找的一个无源晶振，可以看到它的负载电容是12pF，请问原理图中的这两个外接电容应该取多大？（答案是18pF，这里杂散电容取到了3pF，有疑问可以在评论区留下哦）

三、PCB如何布局

1.拉开距离：晶振要远离板边缘（避免机械损伤）、晶振要远离发热元件。
2.拉近距离：晶振电路元件要靠近芯片XIN/XOUT引脚、匹配电阻电容要靠近晶振摆放。
3.晶振电路走线：晶振电路走线尽量短且直（如下图的类差分走线）、尽量不适用过孔、不要放置测试点（主要目的是减小杂散/寄生电容、减小噪声耦合），任何信号线都不要穿过晶振电路及下方。

4.接地：晶振的外壳要接地、晶振电路四周放置接地保护环、保护环接芯片的地引脚。
5.挖空晶振下方的地平面：理由有二，首先，可以减小晶振电路的寄生电容；其次挖空铜箔可以减少热量传导引起的温度变化。

PCB布局参考：