晶體振蕩器是一種使用逆壓電效應(yīng)的電子振蕩器電路，即當(dāng)電場(chǎng)施加在某些材料上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。因此，它利用壓電材料的振動(dòng)晶體的機(jī)械共振來(lái)產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號(hào)。晶體振蕩器具有高穩(wěn)定性、品質(zhì)因數(shù)、小尺寸和低成本，這使得它們優(yōu)于其他諧振器，如LC電路、陶瓷諧振器、轉(zhuǎn)叉等。電路符號(hào)：晶振是電子電路中最常用的電子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z”表示，單位為Hz。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容稱(chēng)為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)皮法到幾十皮法。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。實(shí)際上，晶體的行為就像一個(gè)串聯(lián)RLC電路，由組件組成：1.低阻值電阻RS 2.大值電感LS 3.小值電容器CS，然后將與其電極Cp的電容并聯(lián)。

晶振的壓電效應(yīng)

我們把晶振的外殼去除，可以看到內(nèi)部是一種半透明的材質(zhì)，外加兩個(gè)引出的電極引腳：這種半透明的材質(zhì)叫做“石英”晶體(Quatz)。石英由硅元素(Si)和氧元素(O)構(gòu)建而成，結(jié)晶時(shí)，其原子在空間上排列非常規(guī)則(白色代表Si，紅色代表O)：由于這種空間上的特殊排列組合，在沒(méi)有被擠壓的時(shí)候，晶格的中心位置上正負(fù)電抵消，是0電勢(shì)，但是當(dāng)受到外在壓力時(shí)，晶格的中心位置上的電勢(shì)會(huì)偏移，從而產(chǎn)生電壓。

這種現(xiàn)象就是“壓電效應(yīng)”：當(dāng)對(duì)壓電材料施以壓力時(shí)，能產(chǎn)生電;反過(guò)來(lái)，當(dāng)給壓電材料通電，能產(chǎn)生形變。

晶振的阻抗特性

晶振本身只是一種單純的壓電材料，為了電學(xué)上的計(jì)算分析，我們繪制它的等效電路：等效電路分為兩部分：一部分是Lm、Cm、Rm構(gòu)建的串聯(lián)電路，這部分代表著晶振在發(fā)生形變振動(dòng)時(shí)的效果，老外也將其稱(chēng)為晶振的運(yùn)動(dòng)(Motional)參數(shù);另一部分是一個(gè)C0并聯(lián)在LCR電路上，這個(gè)C0的容值比Cm要大很多，代表了兩個(gè)電極引腳產(chǎn)生的分布或寄生電容。

這種電路組合意味著晶振有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是由Lm、Cm、Rm串聯(lián)電路形成的諧振頻率Fs;另一個(gè)是Lm、Cm、Rm整體與C0并聯(lián)電路形成的諧振頻率Fp：

當(dāng)晶振上通過(guò)的信號(hào)頻率：

· 小于Fs時(shí)，電路更顯容性;

· 等于Fs時(shí)，容性阻抗和感性阻抗相互抵消，電路呈現(xiàn)純阻性，電路整體阻抗最小;

· 大于Fs時(shí)，電路更顯感性;

· 等于Fp時(shí)，C0與Lm、Cm、Rm(顯感性)形成LC并聯(lián)諧振電路，電路呈現(xiàn)純阻性，電路整體阻抗最大;

· 大于Fp時(shí)，電路更顯容性;

晶振的振蕩電路——皮爾斯振蕩器(Pierce Oscillator)

說(shuō)了這么多，你應(yīng)該理解了，平時(shí)所謂的“晶振”，只是一種基于壓電材料的元器件，而且計(jì)算上就把它當(dāng)做是LC電路來(lái)分析。作為L(zhǎng)C類(lèi)被動(dòng)型元器件，它可以用于濾波或者相移，但本身不是振蕩器，還需要依靠額外的電路才能獲得穩(wěn)定振蕩。這就要說(shuō)到振蕩器模型：

晶振的角色肯定是位于反饋網(wǎng)絡(luò)里的。根據(jù)Barkhausen(巴克豪森)準(zhǔn)則，在振蕩頻率上，晶振要實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)和輸入信號(hào)(熱噪聲)滿(mǎn)足0相位差，起到正反饋的作用。怎么實(shí)現(xiàn)呢?這就說(shuō)到皮爾斯振蕩器了：如STM32就是這樣的，但也有例外的單片機(jī)。兩個(gè)C1和C2統(tǒng)稱(chēng)為負(fù)載電容(通常為數(shù)十個(gè)pF)，Rs為串聯(lián)電阻，Rf為反饋電阻，運(yùn)放作為反向器。

由于運(yùn)放作為反向器，對(duì)信號(hào)相位改變180°。那么，整個(gè)Rs、C1、C2、晶振構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)的整體相移也需是180°。其中，Rs和C1構(gòu)成一個(gè)RC電路，具體相移多少由兩者參數(shù)而定，但RC電路相移肯定小于90°。這意味著晶振和C2上的相移必定要大于90°才行。

只有當(dāng)晶振作為一個(gè)電感的時(shí)候，晶振和C2上的相移才能大于90°。也就是說(shuō)，晶振的振蕩頻率要求在Fs和Fp之間。實(shí)際上，所謂的晶振“標(biāo)稱(chēng)頻率”，如4MHz、8MHz、16MHz，都是在指附加了某個(gè)負(fù)載電容情況下測(cè)得的。