关于石英晶体的共振频率resonance frequency,解释如下:
石英晶体有三组不同定义及特性的共振频率。
- 串联谐振频率及并联谐振频率(fs及fp)(series resonance frequency and parallel resonance frequency)
- 谐振频率及反谐振频率(fr及fa)(resonance frequency and anti-resonance frequency)
- 最大导纳频率及最小导纳频率(fm及fn)(maximum admittance frequency and minimum admittance frequency)
这三组频率的导纳(admittance)图,可以从下图复数坐标清楚的看到:

串联谐振频率及并联谐振频率,fs及fp,是分别由电导(real part of the admittance)最大和电阻(real part of the electric input impedance)最大时的频率。
谐振频率及反谐振频率,fr及fa,分别是当电纳等于零(纯电阻特性)的二个频率,在这个时候,fr的阻抗为1/Rr而fa的阻抗为1/ Ra。
在评估共振时的等效电路时,串联谐振频率及并联谐振频率,fs 及 fp,是最重要的二个频率参数,对于串联谐振频率及并联谐振频率( fs及fp )二者的关系,我们可以用下列公式来表达:

公式中的C1及L1分别是下图中的动态电容(motional capacitance)及动态电感(motional inductance);Co是静态电容(shunt capacitance)。

石英晶体可以等效为一个RLC电路:
动态支路R1、L1、C1 → 反映石英晶片机械振动产生的电气特性。
静态电容C0 → 来自电极、引脚、封装结构。
虽然C0不参与晶体机械振动,但是会影响晶体整体阻抗变化。由于这两部分共同作用,使晶体存在串联谐振频率fs、并联谐振频率fp。并且fs < fp。两个频率非常接近,但晶体表现出的阻抗特性完全不同。
串联谐振:晶体像一个低阻抗电阻
当晶体工作在串联谐振频率fs时,动态支路中的电感L1产生感抗;电容C1产生容抗。两者大小相等、方向相反,因此相互抵消。晶体阻抗主要由R1决定。也就是Z≈R1。

由于R1通常较小,所以晶体表现为:
- 低阻抗;
- 低损耗;
- 信号容易通过。
在串联谐振状态下,晶体类似一个低阻抗电阻。串联谐振晶体的频率定义在fs,因此规格书不会要求负载电容CL。
并联谐振:晶体像一个高Q值电感
当晶体工作在fs < f < fp这个区域时,晶体进入感性区域。此时晶体对外表现为一个高Q值等效电感。

这个等效电感与外部负载电容共同形成振荡网络。通过调整晶体参数、负载电容CL、振荡电路,可以使振荡频率达到目标值。
在fp附近,由于静态电容C0影响,晶体出现反谐振现象。此时阻抗达到最大、晶体接近开路状态。并联谐振晶体利用的是fs和fp之间的感性区域。
目前大多数MCU采用Pierce皮尔斯振荡结构。电路包括MCU内部反相放大器、石英晶体、两个负载电容。

晶体连接在XIN和XOUT之间。该振荡方式需要晶体工作在感性区域,因此,MCU通常要求使用并联谐振晶体。
如果CL选择错误,可能导致晶振频率偏移、RTC计时误差增加、系统时钟精度下降等情况。实际负载电容不仅包括外部电容C1/C2,还包括:
- MCU输入电容;
- PCB寄生电容;
- 晶体自身参数。
