晶振作為電子產品“心臟”的關鍵部分,究竟是什么原理,能起到什么作用
如果要在電子產品中找到類似人體心臟的細節,我開始個想到的就是晶振。電子產品的CPU能夠有條不紊的運行,除了電源供給能量之外,晶振功不可沒,它的作用就是能夠給CPU提供時鐘頻率,特點就是穩定性極高。
接下來我們就來說說這個小玩意兒到底是怎么工作的。
晶振的英語是Crystal,她的意思是晶體、水晶,晶振的種類繁多,這是它的結構示意圖,由外殼和他的兩個引腳組成,在引腳附近的是絕緣體,作用是防止引腳和金屬外殼短路。
中間是覆銀層,當給覆銀層加上電壓之后,兩個銀層之間會形成電場,覆銀層中間是石英晶體,也是這個晶振的和信,這一塊兒石英晶體是按照一定方位從二氧化硅上切下來的薄片,形狀為矩形或者圓形。
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晶振能產生穩定的頻率,主要利用的是石英晶體的壓電效應。當我們給石英晶體施加電壓時,石英晶體就會產生機械變形,變形之后就會產生電壓,以此往復。
我們不停地給石英晶體交變的電壓,它就能產生穩定的振動頻率,以下是晶振的電路符號,這是它的等效電路。
當我們輸入信號的頻率等于諧振頻率時,可以把LC串聯阻抗看做0,此時稱為串聯諧振,當發生串聯諧振時,它的整體阻抗很小,而發生并聯諧振時它的整體阻抗很大。晶振就是工作在串聯諧振或者并聯諧振的情況下。
既然LC等效電路也能發生這樣的諧振,那是不是可以用LC等效電路替代晶振?當然不可以,有一個評價的指標叫做品質因數,品質因數越大越好,LC電路的品質因數只有幾百,而晶振的品質因數卻高達幾十萬上百萬。
還有一個疑惑的地方就是需要給晶振交變的電壓,我們知道CPU的時鐘源頭來自晶振,那又有誰負責給晶振交變的電壓呢?這得靠振蕩電路來實現了。
這是一個皮爾斯振蕩電路,黃色部分是一個反向器,它兼具把信號放大的作用,在它的輸出端能輸出穩定的頻率,而是靠一個晶振是不能輸出穩定的頻率,它必須搭配振蕩電路才可以正常工作。
這個皮爾斯振蕩電路很常見,比如單片機的外面晶振電路就是利用了皮爾斯振蕩電路,在單片機內部集成了一個反向器和一個電阻,所以這個晶振能正常工作。
這個電路之所以能起振,依靠的是電路里面的噪聲。當這個反相器剛上電時,放大了各種頻率的噪聲信號,然后這個信號會傳輸給晶振,而晶振只允許頻率等于諧振頻率的信號通過,這就實現了對信號的選擇。
可以把晶振的作用看作是濾波,濾掉不是諧振信號的頻率,等于諧振信號的頻率被反饋到了輸入端,又一次被放大,以此往復,這個振蕩電路就能產生穩定的頻率,這就是晶振的工作原理,CPU的時鐘源就是這么產生的。
常見的晶振有這些頻率,上述我們講的都是無源晶振,還有一種是有源晶振,還有四個引腳,只不過把這些電路做成了一個芯片,把芯片和晶振封裝到了一個殼子里面,它其實就是一個振蕩器,這樣我們給他通上電,它就能發出穩定的頻率了。
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