晶振的構(gòu)造及工作原理

咱搞硬件的，應(yīng)該都使用過晶振，上次寫開關(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(yīng)該就是利用的環(huán)路不穩(wěn)定的特性，產(chǎn)生自激振蕩。

    除此之外，我又想到下面這些問題：

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

    為什么只有晶振的固有頻率能振蕩起來？

    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，有的沒有？有的要并聯(lián)1M電阻，有的沒有？

    既然有了興致，那就借這個(gè)機(jī)會(huì)把晶振的內(nèi)容好好梳理一下，先從基礎(chǔ)開始吧。

晶振分類

    首先，晶振一般分為兩種，一種叫有源晶振，一種叫無源晶振。

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

    簡單說有源晶振自己供上電就能輸出振蕩信號，無源晶體必須額外增加電路才能振蕩起來。

    以上分類是從使用上面來說的。如果我們單看晶振的內(nèi)部構(gòu)造，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，有源晶振內(nèi)部是包含了一個(gè)無源晶振，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(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(nèi)部構(gòu)造包含了無源晶振，所以，一般來說，有源晶振是比無源晶振是要貴的。另外一方面，我們只要了解了無源晶振的特性，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，下面我們就只看無源晶振（晶體諧振器）

晶體諧振器構(gòu)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(shù)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(yīng)。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，以下是百度百科的定義：

    意思對應(yīng)下圖：

    晶體的構(gòu)造示意圖：

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

    根據(jù)對前面壓電效應(yīng)的理解，晶體可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后機(jī)械能又能轉(zhuǎn)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(jī)械振動(dòng)嗎？

    我們知道，機(jī)械振動(dòng)的物理尺寸和結(jié)構(gòu)固定之后，它本身一般就有一個(gè)固有的振動(dòng)頻率。當(dāng)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(xiàn)象。

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

    除此之外，既然工作原理是機(jī)械振動(dòng)，那么性能自然跟晶體的尺寸和結(jié)構(gòu)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(biāo)軸某種角度去切割。切型有非常多的種類，因?yàn)槭⑹歉飨虍愋缘模圆煌那行推湮锢硇再|(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(wěn)定性，Q值，溫度性能等等。

    常見的切割類型有兩種，AT和BT切。

    同種頻率的晶振，AT切比BT切的溫度系數(shù)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，切割類型的關(guān)系：

    晶振手冊中，也會(huì)給出切割類型，不知道兄弟們有沒有關(guān)注這個(gè)參數(shù)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，厚度就是：

    0.083mm*20Mhz/32.768Khz=50.66mm。

    顯然，這個(gè)尺寸太大了。

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

    32.768Khz一般是音叉的結(jié)構(gòu)，就是下面這種：

    我想，可能就是因?yàn)槌Ｒ?guī)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(jié)構(gòu)。

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

小結(jié)

    本節(jié)內(nèi)容先寫這么多吧，主要是查閱資料，總結(jié)了下晶振構(gòu)造相關(guān)的，對于硬件設(shè)計(jì)來說，用處不是特別大，不過了解下也沒壞處。

    至于開篇提的幾個(gè)問題，本節(jié)是一個(gè)問題也沒回答，也不著急，后面總會(huì)說清楚的，我希望是慢慢從0開始，構(gòu)建屬于自己的知識(shí)體系，這樣無論遇到什么問題，見過的，沒見過的，總能有分析問題的思路。