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晶振原理圖

晶振是石英晶體諧振器(quartz crystal oscillator)的簡稱,也稱有源晶振,它能夠產生中央處理器(CPU)執行指令所必須的時鐘頻率信號,CPU壹切指令的執行都是建立在這個基礎上的,時鐘信號頻率越高,通常CPU的運行速度也就越快。

只要是包含CPU的電子產品,都至少包含壹個時鐘源,就算外面看不到實際的振蕩電路,也是在芯片內部被集成,它被稱為電路系統的心臟。

如下圖所示的有源晶振,在外部施加適當的電壓後,就可以輸出預先設置好的周期性時鐘信號,

這個周期性輸出信號的標稱頻率(Normal Frequency),就是晶體元件規格書中所指定的頻率,也是工程師在電路設計和元件選購時首要關註的參數。晶振常用標稱頻率在1~200MHz之間,比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等,更高的輸出頻率也常用PLL(鎖相環)將低頻進行倍頻至1GHz以上。

輸出信號的頻率不可避免會有壹定的偏差,我們用頻率誤差(Frequency Tolerance)或頻率穩定度(Frequency Stability),用單位ppm來表示,即百萬分之壹(parts per million)(1/106),是相對標稱頻率的變化量,此值越小表示精度越高。

比如,12MHz晶振偏差為±20ppm,表示它的頻率偏差為12×20Hz=±240Hz,即頻率範圍是(11999760~12000240Hz)

另外,還有壹個溫度頻差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定溫度範圍內,工作頻率相對於基準溫度時工作頻率的允許偏離,它的單位也是ppm。

如果在石英晶片上加上交變電壓,晶體就會產生機械振動,機械形變振動又會產生交變電場,盡管這種交變電場的電壓極其微弱,但其振動頻率是十分穩定的。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(與切割後的晶片尺寸有關,晶體愈薄,切割難度越大,諧振頻率越高)相等時,機械振動的幅度將急劇增加,這種現象稱為“壓電諧振”。