晶振是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部件，通常在電路設(shè)計(jì)中，晶振都被當(dāng)作數(shù)字電路中的心臟部分，數(shù)字電路的所有工作都離不開時(shí)鐘信號(hào)，而晶振便是直接控制整個(gè)系統(tǒng)正常啟動(dòng)的那個(gè)關(guān)鍵按鈕，在大部分?jǐn)?shù)字電路線路板中都要用到晶振。

一．晶振的工作原理

晶振一般是指石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器兩種，是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成的頻率器件。

它的工作原理是這樣的：在晶體兩個(gè)電極上加上電場(chǎng)后，晶體會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象是可逆的，利用晶體的這種特性，在晶體兩端加上交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，晶體產(chǎn)生的這種振動(dòng)和電場(chǎng)一般都會(huì)很小，但只要在某個(gè)特定頻率下，振幅就會(huì)明顯增大，就類似我們電路設(shè)計(jì)者常能見到的LC回路諧振同理。

二．晶振的分類

1. 無(wú)源晶振

無(wú)源晶振簡(jiǎn)稱為晶振，一般是2引腳或者4腳的無(wú)極性器件。

無(wú)源晶振一般需借助于負(fù)載電容形成的時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)（正弦波信號(hào)）。

 2. 有源晶振

有源晶振為振蕩器，通常是4個(gè)引腳，給有源晶振供電便能產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸出。

有源晶振信號(hào)穩(wěn)定，質(zhì)量較好，而且連接方式比較簡(jiǎn)單，精度誤差比無(wú)源晶振更小，價(jià)格比無(wú)源晶振更貴。

三．晶振的等效電路

事實(shí)上，晶振的作用就像一個(gè)串聯(lián)的RLC電路。

晶振的等效電路顯示為一個(gè)串聯(lián)的RLC電路與一個(gè)電容并聯(lián),見下圖。

其中，R是等效串聯(lián)電阻，L和C分別是等效電感和電容，Cp為靜態(tài)電容。

四．晶振的基本參數(shù)

一般晶振的基本參數(shù)有：頻率、工作溫度、頻率誤差、匹配電容、封裝形式等。

晶振的頻率：一般晶振頻率的選擇取決于線路對(duì)頻率元器件的要求。

頻率誤差: 晶振的頻差一般在±5PPM、±10PPM、±20PPM等，高精度的晶振一般要求在±5PPM之內(nèi)，一般運(yùn)用會(huì)選擇在±10PPM/±20PPM。

晶振的匹配電容：通常通過(guò)調(diào)整匹配電容的值，可以調(diào)整晶振的中心頻率，目前在做高精度晶振時(shí)，都是用該方法來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

五．晶振在PCB板的設(shè)計(jì)布局

作為數(shù)字電路中的心臟，晶振影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)對(duì)晶振的選擇，決定了數(shù)字電路的成敗。

由于晶振內(nèi)部存在石英晶片受到外部撞擊時(shí)容易造成斷裂，從而造成晶振不起振，所以通常在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮晶振的可靠安裝，其位置盡量不要靠近板邊、設(shè)備外殼等地方。

PCB對(duì)晶振布局時(shí)通常注意以下幾點(diǎn)：

1. 晶振不能距離板邊太近、晶振的外殼必須接地，否則易導(dǎo)致晶振輻射雜波。

在板卡設(shè)計(jì)時(shí)尤其需要注意這點(diǎn)。外殼接地可以避免晶振向外輻射，同時(shí)可以屏蔽外來(lái)信號(hào)對(duì)晶振的干擾。如果一定要布置在PCB邊緣，可以在晶振印制線邊上再布一根GND線，將晶振包圍起來(lái)。

2. 晶振下方不能布信號(hào)線，否則易導(dǎo)致信號(hào)線耦合晶振諧波產(chǎn)生雜波。

保證完全接地，同時(shí)在晶振的300mil范圍內(nèi)不要布線，這樣可以防止晶振干擾其他布線、元器件和層的性能。

3. 若濾波器件放在晶振下方，且濾波電容與匹配電阻未按照信號(hào)流向排布，會(huì)使濾波器的濾波效果變差。

耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳，按電源流入方向，依容值從大到小順序擺放。

4. 時(shí)鐘信號(hào)的走線應(yīng)盡量簡(jiǎn)短，線寬大一些，在布線長(zhǎng)度和遠(yuǎn)離發(fā)熱源上尋找平衡。

在電路系統(tǒng)中，高速時(shí)鐘信號(hào)線優(yōu)先級(jí)最高。時(shí)鐘線是一個(gè)敏感信號(hào)，頻率越高，要求走線盡量簡(jiǎn)短，以保證信號(hào)的失真度達(dá)到最小。

因?yàn)楝F(xiàn)在很多電路中，系統(tǒng)晶振時(shí)鐘頻率很高，所以干擾諧波出來(lái)的能量也強(qiáng)，諧波除了會(huì)從輸入與輸出兩條線導(dǎo)出來(lái)外，也會(huì)產(chǎn)生頻率輻射，這也導(dǎo)致若PCB中對(duì)晶振的布局不夠合理，會(huì)造成很強(qiáng)的雜散輻射問題，并且一旦產(chǎn)生，很難再通過(guò)其他方法來(lái)解決，所以在PCB板布局時(shí)對(duì)晶振和CLK信號(hào)線布局非常重要。