晶振阻抗的三个步骤

在微控制器、系统级芯片以及通信芯片中，晶振是保证系统稳定运行的核心时钟源。在设计和调试过程中，难免会遇到如下问题：电路不起振、起振时间过长、输出波形畸变、频率偏差过大等。这些现象大多与晶振阻抗密切相关。

今天KOAN凯擎小妹带大家了解一下晶振阻抗的三个步骤：

查看阻抗曲线 → 调负载电容 → 计算负性阻抗

第一步：看阻抗曲线

晶振的等效电路通常包含四个参数：

L1：等效电感(机械惯性)

C1：等效电容(弹性恢复力)

R1：等效电阻(能量损耗)

C0：寄生电容(电极间静电效应)

通过观察晶振的阻抗曲线，可以了解晶振在不同频点下的表现：

串联谐振点fs：等效电感L1与等效电容C1相互抵消，阻抗降至最低，仅剩等效电阻R1。在图中对应Rs点(即 ESR)。此时晶体最容易振荡。

并联谐振点fp：晶体与寄生电容C0共同作用，使阻抗升至最高，在图中对应Zp点，接近开路。这个点决定了电路最终的工作频率。

其他频率区间：阻抗随频率变化而不稳定，要么偏高，要么偏低，晶体表现为电容性或电感性。电路的实际工作点通常落在fs与fp之间的区间。

第二步：调负载电容

在确定阻抗曲线之后，需要利用外部电容C1和C2对电路的工作点进行微调。它们与晶体的寄生电容C0共同形成等效负载电容CL，决定晶振在fs与fp之间的确切位置，从而使实际工作频率校准到标称值。

在并联振荡器(如皮尔斯振荡器)中，这两个外部电容是必不可少的，直接影响电路能否在目标频率上稳定振荡。

电容过大 → 振荡频率降低

电容过小 → 振荡频率升高

偏差过大 → 可能导致不起振或波形畸变

第三部：计算负性阻抗

即使电容匹配正确，如果驱动不足，振荡仍可能无法启动。这涉及负性阻抗(-R)。振荡电路中，放大器必须提供足够的负性阻抗抵消晶体等效电阻ESR。

建议振荡宽限为晶振等效串联电阻RR的5倍之上：

|-R| ≥ 5RR

|-R| 太小 → 起振慢或不起振

|-R| 太大 → 晶体过热、老化加速

凯擎小妹建议

ESR参数匹配：不同晶体的等效串联阻抗ESR差异大，要与芯片手册匹配。

驱动能力适中：部分MCU振荡器可调驱动电流，避免过驱。

PCB布局优化：晶体与芯片走线尽量短、靠近接地，减少寄生电容。

测试谨慎：示波器探头会增加电容，导致频率偏差。

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