“晶振”是什么 如何使用它

时钟(clock)电路就像人体的心脏,决定了数字世界的一切行为,因此所有的处理器、dsp、乃至fpga的数字逻辑都要被“时钟”驱动。
如何产生时钟?多数硬件工程师对此觉得不以为然,不就是用“晶振”么?但细究下去,却发现真正了解“晶振”如何使用的并不多。不信你回答如下的几个问题:
为啥叫“晶”振?是什么“晶”,“晶”又是如何“振”的?
下面的图中,2条腿的和4条腿的有什么区别?内部构成、工作频率范围?它们的准确的英文名字分别是什么?
上图中其它的器件都是什么?为什么有不同的形状和不同的管脚?
下图的cpu/处理器外面的xt器件的频率为什么标注的是1-20mhz?能不能到50mhz?为什么?
四条腿的器件最高工作频率能够多高?
我们经常看到计算机的主频高达2.7ghz,wifi通信也常听到2.4ghz和5.8ghz,这么高的频率是如何产生的?
在很多系统中往往需要多个不同频率、不同相位的时钟信号,如何通过一个晶振得到这些时钟信号?
除了两条腿、四条腿的“晶振”器件之外,你还知道哪些能够产生时钟的方法?他们的优势和局限性都是什么?
在pcb设计的时候时钟电路部分如何做相关器件的布局、布线?
无源晶振(crystal)实物(右)、原理图符号(左上)、等效电路(左下)
无源晶振(crystal)和有源晶振(oscillator)的内部结构
下面是从网上看到的一段针对“晶振”的简单介绍,觉得有点营养,贴到这里,供大家参考。
我们只知道晶振是一种频率元器件,而对于晶振有分基频晶振和泛音(也称为谐波)晶振的人可能少之又少。那么什么是基频晶振,什么又是泛音晶振了,两种在电路中的使用有什么区别了。
晶振的振动就像弹簧;晶体的振动频率和石英晶体的面积、厚度、切割取向等有关。
越长的抖得越慢
越粗的抖得越慢
越软的抖得越慢
不过太短太细太硬的抖不起来。
晶振是机械振动,具有机械振动的特征:形状、几何尺寸、质量等,决定振动频率。
晶振普遍由石英材质或者陶瓷材质加上内部的晶片组合而成,而晶振的频率大小取决于晶片的厚度影响。首先,在制作工艺来讲,晶片大小以及晶片厚薄与晶振的频率密切相关,一般来讲,石英晶振的频率越高,需要的石英晶片越薄。
比如40mhz的石英晶体所需的晶片厚度是41.75微米,這樣的厚度還算可以做到,但100mhz的石英晶体,所需的晶片厚度则是16.7微米。即使厚度可做到但損耗非常高,製成成品後輕輕一跌晶片就碎裂。所以一般在高频的晶体就要采用三次泛音、五次泛音、七次泛音的技术来达到了。比如基频为20mhz的晶体,五次泛音之后就可以得到100mhz的晶体。
一般以经验来讲,40mhz以下基本都是基频晶振,而40mhz以上,则是泛音晶振了。因此,我们不难理解,为什么很多有源晶振频率基本都算高频的,并且成本也相对比较贵,有源晶振的成本除了内部晶片较薄以外,再就是自身有加一个振荡片。
那么基频晶振和泛音晶振在使用上又会有什么不同了?两者在使用上肯定是有区别的,比如基频的晶体,只需要接入适当的电容就可以工作,而泛音晶振则需要电感和电容配合使用才可振出泛音频率,否则就只能振出基频了。

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