本期给大家介绍一个“重量级”的电子元器件：晶振。在电子行业中，有一种元件，虽然体积小巧，但其作用却不可忽视，那就是晶振。
本期内容主要概括为以下几个方面：
①什么是晶振？
②晶振是如何制成的？
③晶振的内部结构和分类
④晶振的频率参数
⑤晶振在PCB上的设计布局
接下来笔者一一为大家进行介绍。
一、什么是晶振？晶振，全称为晶体振荡器，是一种利用石英晶体的压电效应制成的稳定频率和选择频率的电子元件。它在电子设备中的主要作用是提供稳定的时钟信号，是许多电子设备正常工作的关键。晶振的图形符号如下图所示：
晶振的内部结构
石英晶体和振荡电路。石英晶体是晶振的核心部分，它是由硅酸盐等无机材料经过高温熔融后形成的晶体。石英晶体有两个重要的特性：压电效应和反压电效应。振荡电路则是由电容、电阻等元件组成的电路，它的作用是控制和调整石英晶体的振动频率。
二、晶振的工作原理在石英晶体两个电极上加上电场后，晶体会发生机械变形，相反的，若是在晶体的两端加上机械压力后，晶体又会产生电场。这种机械能与电能之间的转换过程就是压电效应。这种现象是可逆的，所以利用晶体的这种特性，在晶体两端加上交变电压，晶片就会产生机械振动，同时又会产生交变电场。但是晶体产生的这种振动和电场一般都会很小，但只要在某个特定频率下，振幅就会明显增大，就类似我们电路设计者常能见到的LC回路谐振同理。
晶振的等效电路
事实上，晶振的作用就像一个串联的RLC电路。
晶振的等效电路显示了一个串联的RLC电路，表示晶振的机械振动，与一个电容并联表示与晶振的电气连接，而晶振振荡器便朝着串联谐振运行工作。
其中，R是ESR等效串联电阻，L和C分别是等效电感和电容，Cp为寄生电容。
在特定的频率下，由于串联电容C和电感L之间的作用产生串联谐振电路，将晶体的阻抗降低到最小并等于R。
为了更好地理解，我们可以以石英晶振为例。一个石英晶振可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。这个二端网络有两个谐振点，对应两个谐振频率，即fs和fa，fa略大于fs。其中较低的频率fs为串联谐振频率，较高的频率fa为并联谐振频率。由于晶体自身的特性，这两个频率的距离相当接近，在这个极窄的频率范围内，晶振可以进一步等效为一个电感。
如果已知串联谐振频率fs（当电抗Z=0时的串联谐振频率），那么并联谐振频率fa的表达式可由电抗Z趋于无穷大时得到；而实际工作的振荡频率fp可通过相应的方程算出。
Fs=1/[2π√(L*C)]
Fa=Fs*√(1+C/Cp)
FP=Fs*[1+C/2(Cp+CL)]
通过改变负载电容CL，可以调整晶体的振荡频率，这就是为什么在晶体规格书中，晶体制造商会指出使晶体在标称频率下振荡所需的确切CL。
三、晶振如何制成？首先选择合适的石英晶体，石英晶体的尺寸、形状和切割角度都会影响其振荡频率，然后根据石英晶体的特性和所需的振荡频率，设计出合适的振荡电路。将石英晶体安装在振荡电路上，然后通过调试，使振荡电路的工作频率与石英晶体的共振频率相匹配，从而产生稳定的振荡信号。
晶振的分类
①无源晶振
无源晶振为晶体，一般是2引脚的无极性器件（部分无源晶振有无极性的固定引脚）。无源晶振本身不直接输出方波或正弦波信号，一般需借助于负载电容形成的时钟电路才能产生振荡信号（正弦波信号）。当与适当的电路相结合时，晶振将在其固有的谐振频率上产生振荡。
②有源晶振
有源晶振为振荡器，通常是4个引脚。有源晶振不需要CPU的内部振荡器，产生方波信号。有源晶振供电便能产生一个时钟信号。
有源晶振的主要输出为一个方波信号，具有稳定且精确的频率和幅度。方波信号的频率由石英晶体的谐振频率决定，通常在几千赫兹至数十兆赫兹的范围内；而方波信号的幅度通常是TTL或CMOS电平。
有源晶振信号稳定，质量较好，而且连接方式比较简单，精度误差比无源晶振更小，价格比无源晶振更贵。
另外提一下温补晶振，温补晶振的精度可以做到比普通晶振更高。温补晶振是将压电石英晶体原有的物理特性通过外围电路逆向改变使得石英晶体原有频率随温度的变化尽可能的变小的一种补偿方式所做的石英晶体振荡器。
四、晶振在PCB板的设计布局由于晶振内部存在石英晶体，受到外部撞击等情况造成晶体断裂，很容易造成晶振不起振，所以通常在电路设计时，要考虑晶振的可靠安装，其位置尽量不要靠近板边、设备外壳等地方。PCB对晶振布局时通常注意以下几点：
①晶振不能距离板边太近、晶振的外壳必须接地，否则易导致晶振辐射杂讯。
如果一定要布置在PCB边缘，可以在晶振印制线边上再布一根GND线，同时在包地线上间隔一段距离就打过孔，将晶振包围起来。
②晶振下方不能布信号线，否则易导致信号线耦合晶振谐波杂讯。
③若滤波器件放在晶振下方，且滤波电容与匹配电阻未按照信号流向排布，会使滤波器的滤波效果变差。耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚，按电源流入方向，依容值从大到小顺序摆放。
④时钟信号的走线应尽量简短，线宽大一些，在布线长度和远离发热源上寻找平衡。
晶振是电子行业中不可或缺的重要元件。无论是在提供稳定的时钟信号，还是在生成各种频率的信号，或是在控制设备的运行中，都发挥着重要的作用。