晶振的内部构造及工作原理

作为硬件工程师，在日常工作中经常会接触到晶振。我记得上次在编写开关电源环路的零极点时，突然意识到晶振是由自身产生振荡的。如果从环路的视角来看，这似乎是利用了环路的不稳定特性，从而实现了自激振荡。

除此之外，我又想到下面这些问题：

那么我们使用晶体的时候，电路的环路的传递函数是怎么样的呢

为什么只有晶振的固有频率能振荡起来？

为什么改变匹配电容，就能改变频偏？

为什么晶振电路有的要串电阻，有的没有？有的要并联1M电阻，有的没有？

既然有了兴致，那就借这个机会把晶振的内容好好梳理一下，先从基础开始吧。

晶振分类

首先，晶振一般分为两种，一种叫有源晶振，一种叫无源晶振。

有源晶振也叫晶体振荡器，Oscillator；无源晶振有时也叫无源晶体，Crystal，晶体谐振器。至于哪个名字更专业，更准确，我觉得无需争论，名字只是代号而已，大家工作中沟通能知道说的是什么就行。

简单说有源晶振自己供上电就能输出振荡信号，无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。

以上分类是从使用上面来说的。如果我们单看晶振的内部构造，就会发现，有源晶振内部是包含了一个无源晶振，然后再将阻容，放大等电路也包含进去，整体封装好再给我们用。

关于晶体内部结构，我在B站上看到一个非常清晰的拆解视频，有兴趣可以看看，链接是这个：

https://www.bilibili.com/video/BV1D5411L7aG

有源晶振内部构造包含了无源晶振，所以，一般来说，有源晶振是比无源晶振是要贵的。另外一方面，我们只要了解了无源晶振的特性，有源晶振也就差不多了，毕竟，有源晶振可以看成是无源晶振做成的一个具体电路，供上电，就能输出振荡信号了。

所以，下面我们就只看无源晶振（晶体谐振器）

晶体谐振器构造

首先，晶体谐振器里面的晶体，是指的石英晶体，化学式是二氧化硅SiO2。石英的特点是：热膨胀系数小，Q值高，绝缘。

石英可以做成晶体谐振器，主要是利用了压电效应。压电效应分为正压电效应和逆压电效应，以下是百度百科的定义：

意思对应下图：

晶体的构造示意图：

上图左边是晶体构造的示意图，右边是我们常见的晶振的符号，二者是不是很像？

根据对前面压电效应的理解，晶体可以将电能转化为机械能，然后机械能又能转化为电能。如果给晶体通上交流电，那不就是一会收缩，一会儿膨胀，这不就是机械振动吗？

我们知道，机械振动的物理尺寸和结构固定之后，它本身一般就有一个固有的振动频率。当外加信号的频率与固有振动频率相等时，就会发生共振，产生谐振现象。

显然，晶振的频率，说的就应该是这个固有振荡频率。再从无源晶体也叫“晶体谐振器”，这个“谐振”，应该就是这个意思吧。

除此之外，既然工作原理是机械振动，那么性能自然跟晶体的尺寸和结构非常大的关系。这个我也查了一下，确实如此

晶振频率与切片厚度，切割工艺的关系

切割工艺，就是对晶体坐标轴某种角度去切割。切型有非常多的种类，因为石英是各向异性的，所以不同的切型其物理性质不同，切面的方向与主轴的夹角对其性能有非常重要的影响，比如：频率稳定性，Q值，温度性能等等。

常见的切割类型有两种，AT和BT切。

同种频率的晶振，AT切比BT切的温度系数要小，切片厚度要薄，但是Q值比BT切要低。下面是晶体频率同切片厚度，切割类型的关系：

晶振手册中，也会给出切割类型，不知道兄弟们有没有关注这个参数呢？

特殊的晶振—32.768Khz

从上面看出，AT切的20Mhz晶振的切片很薄，只有0.083mm，但是频率降低到32.768Khz，如果还是AT切的话，厚度就是：

0.083mm*20Mhz/32.768Khz=50.66mm。

显然，这个尺寸太大了。

我们现实中看到的32.768khz的晶振显然是没有这么大的，所以可以肯定的是，32.768Khz的晶振肯定不是AT或是BT切，应该是别的方式。

32.768Khz一般是音叉的结构，就是下面这种：

我想，可能就是因为常规的AT，BT切片方式做不了低频的晶振（尺寸太大），所以这种32.768Khz这样的采用这种音叉结构。

这让我想起当年一开始使用32.768Khz晶振的时候，被迫选了个MC-146封装的，当时还觉得奇怪：别的晶振都能做成3225这种封装的，就你搞特殊，封装长这么奇怪。

小结

本节内容先写这么多吧，主要是查阅资料，总结了下晶振构造相关的，对于硬件设计来说，用处不是特别大，不过了解下也没坏处。

至于开篇提的几个问题，本节是一个问题也没回答，也不着急，后面总会说清楚的，我希望是慢慢从0开始，构建属于自己的知识体系，这样无论遇到什么问题，见过的，没见过的，总能有分析问题的思路。

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