振荡电路的工作原理是什么?为何推荐有源晶振?

石英晶体振荡器(Quartz Crystal Oscillator)的简称为有源晶振,英文简称为OSC,它能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须的时钟频率信号,CPU一切指令的执行都是建立在这个基础之上。通常来说,时钟信号频率越高,CPU运行速度越快,处理数据的效率越高。

振荡电路的工作原理是什么?为何推荐有源晶振?

目前绝大多数智能数码电子产品,都至少存在一个时钟源,换句话说,即使在一些电路板上用眼睛看不到振荡电路,芯片内部也会存在集成的时钟信号,时钟信号被称之为数字电路系统的核心。

振荡电路的工作原理是:从外部输入标配电压之后,有源晶振就可以输出标称周期性时钟信号,即标称频率(Normal Frequency),是晶振规格书中所指定的频率,也是工程师在电路设计和晶振采购时首要关注的重要晶振电气参数。常见的MHz晶振标称频率在1~200MHz之间,比如2.048MHz 、4MHz 、8MHz、11.0592MHz、12MHz、24MHz、25MHz、26MHz、27MHz、54MHz、125MHz等,更高的输出频率也常用PLL(锁相环)原理将低频进行倍频至1GHz以上。最常见的KHz晶振为晶振32.768KHz,主要应用于实现时间显示功能,因此常被我们称之为表晶。

在晶振的实际应用中,晶振在工作中输出的信号频率不可避免会存在一定偏差,这时,我们会经常遇到两个词来表述晶振的这种误差现象:频率偏差(Frequency Tolerance)或频率稳定度(Frequency Stability),用单位PPM来表示,即百万分之一(Parts Per Million: 1/1000000),它指的是在指定的某一温度范围内晶振在工作中相对于标称频率的变化量,PPM值越小表示晶振精度越高,比如,12MHz晶振偏差为±20ppm,表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz,即频率范围是(11.999760~12.000240Hz)

另外,还有一个专业术语需要解释,即温度频差(Frequency Stability vs Temperature),表示在特定温度范围内,工作频率相对于基准温度(25℃)时工作频率的允许偏离,它的单位也是PPM。同理,PPM越小,表示晶振温漂越小,即稳定性越高。那么,当然电子设备不可能一直处于温度环境为25℃的理想条件之下工作,如果在其它温度变化区间呢?因此,若一些电子产品需要在户外温差较大的条件之下工作,就必须要考虑晶振在不同温度区间的频偏程度,比如:温度频差:±15ppm~±30ppm,工作温度范围:-20°C ~+70°C; 温度频差:±15ppm~±30ppm,工作温度范围-40°C ~+85°C。

我们经常还会注意到其它一些参数,比如负载电容、谐振电阻、静电容等,这些都与晶振的物理特性及生产工艺有关。

还需要重点指出的是,石英晶体谐振器,即无源晶振,本身不能产生振荡信号,必须借助于相匹配的外部振荡器电路才能实现。 而有源晶振的应用简单很多。需要什么输出频率,就去采购这个频率的有源晶振(OSC)即可,省去了利用公式计算及手动反复焊接外接电容的繁杂匹配过程,节省很多宝贵时间。同时,有源晶振在很大程度上也避免了杂散电容的干扰,性能更稳定。可能有人会认为有源晶振在价格上会比无源晶振贵一些,但是有源晶振已经内置IC,电路板上自然会省去一颗IC,因此总的来看,电路板的成本反而并没有增加。

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