晶振的反馈与限流电阻:作用原理大解读
2025-04-30 09:52:08
晨欣小编
晶振是一种利用石英晶体的压电效应,实现频率稳定输出的无源元件,常见的振荡形式包括:
并联谐振电路(Pierce结构)
串联谐振电路
Colpitts结构
Clapp结构
其中,最广泛应用的是Pierce振荡电路,特别是在与单片机(如STM32、51系列)搭配时。本文将以该结构为分析核心。
该电路通常包括:
石英晶体(XTAL)
两个负载电容(C1、C2)
反馈电阻(Rf)
限流电阻(Rs)或起振电阻
如图所示(略,可补充电路图):
lua复制编辑 MCU(时钟输入/输出) | | C1 C2 | | o--XTAL--o | | Rs GND | VDD
反馈电阻(Rf)一般连接在晶体振荡器两端,即并联于晶体之间或接于振荡放大器的输入与输出之间(如MCU的OSC_IN和OSC_OUT)。它的典型取值范围在 1MΩ~10MΩ。
晶振启动时,振荡器尚未处于稳定振荡状态,电路需要一个途径将微小的热噪声信号反复放大形成正反馈回路。此时,反馈电阻为放大器提供了直流偏置回路,使得放大器工作在放大区间内,从而实现起振。
没有Rf,放大器可能工作在线性区或截止区,导致振荡器无法启动;
有Rf,形成直流回路,使输出可持续反馈到输入端,维持振荡。
反馈电阻在起振后也参与到信号整形过程中,对高频杂波或寄生振荡有一定的抑制作用,有助于提高系统抗干扰能力与稳定性。
**注意:**反馈电阻过大可能使起振变慢,过小又会影响放大器的增益,需权衡选择。
限流电阻(Rs)也称为串联电阻、起振电阻,位于晶体与振荡电路之间,典型位置是晶体一端串联接入电源或地。例如,在MCU的OSC_OUT脚与晶体之间。
晶体在工作时,由于其内部电阻非常小(约几十欧姆),一旦激励电流过大,会导致晶体发热、性能下降甚至击穿失效。此时,限流电阻起到如下作用:
限制激励功率:抑制起振初期过强电流;
保护晶体寿命:避免晶体老化、频率漂移;
控制振荡幅度:稳定工作波形,防止失真;
改善起振条件:提高振荡器的Q值(品质因数)。
特别提示:
在某些高速MCU中,限流电阻可以省略;
对于RTC晶振,限流电阻至关重要,否则频率稳定性极差。
反馈电阻和限流电阻不是彼此孤立的,其作用互为补充:
综合来看:
反馈电阻保证振荡能起振;
限流电阻保证起振后不“炸机”或频率漂移;
两者配合,提高晶振电路的整体可靠性与鲁棒性。
ST(STM32系列):
通常推荐Rf = 1MΩ~10MΩ;
Rs = 100Ω~500Ω,尤其在低功耗L系列芯片中要求明确。
Microchip(PIC系列):
强调限流电阻对32kHz晶振的起振至关重要;
推荐并联电阻提高灵敏度。
TI(MSP430系列):
RTC晶振推荐Rf = 10MΩ,Rs = 300kΩ以上;
严格限制晶体激励功率在1μW以下。
严禁晶振线过长,尽可能靠近MCU;
不得与高频信号线并排走线;
建议晶体及其电容位于地平面以上,屏蔽干扰源。
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