无源晶振(Crystal)的负载电容

本文介绍了晶振的两种类型——有源晶振和无源晶振,并详细解释了无源晶振的重要参数负载电容及其计算公式。此外,还讨论了负载电容对振荡频率的影响。

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晶振分为有源晶振(Oscillator)和无源晶振(Crystal),无源晶振有一个参数叫做负载电容(Load capacitance),负载电容是指在电路中跨接晶振两端的总的外界有效电容。负载电容是工作条件,即电路设计时要满足负载电容等于或接近晶振数据手册给出的数值才能使晶振按预期工作。

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负载电容计算公式

CL=[Cd*Cg/(Cd+Cg)]+Cic+△C
  • Cd,Cg:分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,一般情况下 Cd == Cg,但 Cd != Cg 也是可以的,Cd、Cg称作匹配电容或外接电容,其作用就是调节负载电容使其与晶振的要求相一致,需要注意的是Cd、Cg串联后的总电容值(Cd*Cg/(Cd+Cg))才是有效的负载电容部分,假设Cd==Cg==30pF,那么Cd、Cg对负载电容的贡献是15pF。
  • Cic:芯片引脚分布电容以及芯片内部电容(部分芯片为了在PCB上省掉Cd、Cg,会在芯片内部集成电容)。
  • △C:PCB走线分布电容,经验值为3至5pf。

负载电容对振荡频率的影响

一般情况下,增大负载电容会使振荡频率下降,而减小负载电容会使振荡频率升高。通过初步的计算发现CL改变1pF,Fx可以改变几百Hz。

Fx = F0(1+C1/(C0+CL))^(1/2)
### TI 芯片中无源晶振的配置方法与参数 #### 一、无源晶振的工作原理 无源晶振本身不具有主动振荡功能,它依赖于外部电路来实现振荡。在TI芯片的设计中,通常会利用DSP或MCU内部的振荡器驱动无源晶振[^1]。为了使无源晶振能够正常工作,需要合理设计外围电路中的负载电容和其他匹配元件。 #### 二、无源晶振的关键参数 以下是无源晶振的主要参数及其意义: - **标称频率 (Nominal Frequency)**:指晶体谐振时的标准频率,单位为Hz。 - **负载电容 (Load Capacitance, CL)**:这是影响振荡频率的重要因素之一。CL值由制造商指定,典型范围为12pF至30pF[^2]。 - **串联电阻 (ESR)**:表示晶体等效串联电阻,越低越好,因为它会影响启动时间和信号质量。 - **温度系数**:描述环境温度变化对频率精度的影响程度。 这些参数直接影响到无源晶振能否成功起振并保持稳定的输出频率。 #### 三、配置方法 针对TI系列芯片(如TMS320C6748),具体配置步骤如下: 1. **选择合适的晶体型号** 根据应用需求选定适合目标系统的无源晶振规格,特别注意其标称频率和负载电容的要求[^3]。 2. **设置负载电容器** 计算实际使用的两个外部负载电容(C1,C2),它们应满足以下关系式: \[ C_{\text{load}}=\frac{(C_1\times C_2)}{(C_1+C_2)} \] 这里\(C_{\text{load}}\)即为目标器件手册中标明的理想负载容量。 3. **优化布线策略** 将无源晶振尽可能靠近处理器放置,并确保两者位于同一PCB层面上以减少过孔带来的寄生效应干扰。 4. **调试验证** 完成硬件搭建后需通过示波器观察波形确认是否达到预期性能指标。 ```python def calculate_load_capacitor(load_capacitance): """ Calculate the external load capacitors based on given load capacitance. Args: load_capacitance(float): Ideal Load Capacitance specified by crystal manufacturer. Returns: tuple: Two equal value of calculated capacitor values. """ c_ext = ((2 * load_capacitance) - PCB_stray_capacitance)/2 return round(c_ext),round(c_ext) # Example usage assuming stray capacitance is about 5pf and desired Cl=18pf calculated_caps = calculate_load_capacitor(18) print(f"Calculated External Caps:{calculated_caps}") ``` 上述代码片段展示了如何依据理想负载电容计算所需的实际外接电容大小。 #### 四、注意事项 - 精确调整负载电容可改善频率偏差情况; - 对高频操作场景建议采用表面贴装型(SMD)组件降低杂散参量影响; - 若发现无法正常起振,则可能是由于选用了错误类型的反相放大器或者未正确设定初始条件所致。
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