晶振的负载电容及匹配电容

只看该作者 · 2023-12-23 10:53

图中CI,C2这两个电容就叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮法。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，一般订购晶振时候供货方会问你负载电容是多少。

晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C

式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。因此，晶振的数据表中规定12pF的有效负载电容要求在每个引脚XIN 与 XOUT上具有22pF（2 * 12pF = 24pF = 22pF + 2pF 寄生电容）。两边电容为Cg,Cd,负载电容为Cl, cl=cg*cd/(cg+cd)+a
就是说负载电容15pf的话，两边两个接27pf的差不多了，

各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器。晶振引脚的内部通常是一个反相器, 或者是奇数个反相器串联。在晶振输出引脚 XO 和晶振输入引脚 XI 之间用一个电阻连接, 对于 CMOS 芯片通常是数 M 到数十M 欧之间. 很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻, 引脚外部就不用接了。这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处于线性状态, 反相器就如同一个有很大增益的放大器, 以便于起振. 石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间, 等效为一个并联谐振回路, 振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率. 晶体旁边的两个电容接地, 实际上就是电容三点式电路的分压电容, 接地点就是分压点. 以接地点即分压点为参考点, 振荡引脚的输入和输出是反相的, 但从并联谐振回路即石英晶体两端来看, 形成一个正反馈以保证电路持续振荡. 在芯片设计时, 这两个电容就已经形成了, 一般是两个的容量相等, 容量大小依工艺和版图而不同, 但终归是比较小, 不一定适合很宽的频率范围. 外接时大约是数 PF 到数十 PF, 依频率和石英晶体的特性而定. 需要注意的是: 这两个电容串联的值是并联在谐振回路上的, 会影响振荡频率. 当两个电容量相等时, 反馈系数是 0.5, 一般是可以满足振荡条件的, 但如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量, 而增加输出端的值以提高反馈量. . 一般芯片的 Data sheet 上会有说明。

另：

1.匹配电容-----负载电容是指晶振要正常震荡所需要的电容。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容。一般晶振两端所接电容是所要求的负载电容的两倍。这样并联起来就接近负载电容了。

2．负载电容是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容。他是一个测试条件，也是一个使用条件。应用时一般在给出负载电容值附近调整可以得到精确频率。此电容的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。

3．一般情况下，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

4．负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。

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晶振的负载电容问题

负载电容（请参阅数据表中的具体说明）

注：有效负载电容
晶振制造商通常会在晶振的数据表中定义有效负载电容。从电子学角度来说，电容器以串行方式连接到引脚XIN 与XOUT上，这时有效负载电容为：
C(eff) = {C(XIN) ? C(XOUT)}/{C(XIN) + C(XOUT)}
因此，晶振的数据表中规定12pF的有效负载电容要求在每个引脚XIN 与 XOUT上具有22pF（2 * 12pF = 24pF = 22pF + 2pF 寄生电容）。 MSP430x1xx 与 MSP430x3xx 系列为32kHz振荡器提供了约12pF的固定集成负载电容器，并且无需任何其它外部负载电容器即可支持需要6pF有效负载电容的晶振。高频率 XTAL 振荡器无内置负载电容器。 MSP430x4xx 系列为低频率与高频率模式下的LFXT1 振荡器提供了软件可选的集成负载电容器。该器件数据表中提供了可选值。XT2 振荡器没有任何内置负载电容器。
ESR
为了确保振荡器操作稳定，MSP430x1xx 与MSP430x3xx 系列均需要ESR < 50kOhm的32kHz晶振。MSP430x4xx 系列的低功耗振荡器需要 ESR < 100kOhm的 32kHz 晶振。高频率晶振的建议 ESR 值是 <= 40Ohms（频率为8MHz时）。与建议的最大值相比，ESR的值越低，振荡器启动性能与稳定性也越好。
设计考虑事项：

使晶振、外部电容器（如果有）与 MSP430 之间的信号线尽可能保持最短。当非常低的电流通过MSP430晶振振荡器时，如果线路太长，会使它对 EMC、ESD 与串扰产生非常敏感的影响。而且长线路还会给振荡器增加寄生电容。
如果MSP430在插座中：请注意插座会给振荡器增加寄生电容。
尽可能将其它时钟线路与频繁切换的信号线路布置在远离晶振连接的位置。
当心晶振和地的走线
将晶振外壳接地
当 VCC < 2.5 V 时，MSP430x1xx 的 LFXT1 振荡器要求在LF模式下使用从XOUT 到 VSS 的 5.1MOhm 电阻器。

一般电容的计算公式是：

两边电容为Cg,Cd,
负载电容为Cl
cl=cg*cd/(cg+cd)+a
就是说负载电容15pf的话，两边个接27pf的差不多了，一般a为6.5～13.5pF 。