時鐘(clock)電路就像人體的心臟,決定了數字世界的一切行為,因此所有的處理器、DSP、乃至FPGA的數字邏輯都要被“時鐘”驅動。
如何產生時鐘?多數硬件工程師對此覺得不以為然,不就是用“晶振”么?但細究下去,卻發現真正了解“晶振”如何使用的并不多。不信你回答如下的幾個問題:
為啥叫“晶”振?是什么“晶”,“晶”又是如何“振”的?
下面的圖中,2條腿的和4條腿的有什么區別?內部構成、工作頻率范圍?它們的準確的英文名字分別是什么?
上圖中其它的器件都是什么?為什么有不同的形狀和不同的管腳?
下圖的CPU/處理器外面的Xt器件的頻率為什么標注的是1-20MHz?能不能到50MHz?為什么?
四條腿的器件最高工作頻率能夠多高?
我們經常看到計算機的主頻高達2.7GHz,WiFi通信也常聽到2.4GHz和5.8GHz,這么高的頻率是如何產生的?
在很多系統中往往需要多個不同頻率、不同相位的時鐘信號,如何通過一個晶振得到這些時鐘信號?
除了兩條腿、四條腿的“晶振”器件之外,你還知道哪些能夠產生時鐘的方法?他們的優勢和局限性都是什么?
在PCB設計的時候時鐘電路部分如何做相關器件的布局、布線?
無源晶振(Crystal)實物(右)、原理圖符號(左上)、等效電路(左下)
無源晶振(Crystal)和有源晶振(Oscillator)的內部結構
下面是從網上看到的一段針對“晶振”的簡單介紹,覺得有點營養,貼到這里,供大家參考。
我們只知道晶振是一種頻率元器件,而對于晶振有分基頻晶振和泛音(也稱為諧波)晶振的人可能少之又少。那么什么是基頻晶振,什么又是泛音晶振了,兩種在電路中的使用有什么區別了。
晶振的振動就像彈簧;晶體的振動頻率和石英晶體的面積、厚度、切割取向等有關。
越長的抖得越慢
越粗的抖得越慢
越軟的抖得越慢
不過太短太細太硬的抖不起來。
晶振是機械振動,具有機械振動的特征:形狀、幾何尺寸、質量等,決定振動頻率。
晶振普遍由石英材質或者陶瓷材質加上內部的晶片組合而成,而晶振的頻率大小取決于晶片的厚度影響。首先,在制作工藝來講,晶片大小以及晶片厚薄與晶振的頻率密切相關,一般來講,石英晶振的頻率越高,需要的石英晶片越薄。
比如40MHz的石英晶體所需的晶片厚度是41.75微米,這樣的厚度還算可以做到,但100MHz的石英晶體,所需的晶片厚度則是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。所以一般在高頻的晶體就要采用三次泛音、五次泛音、七次泛音的技術來達到了。比如基頻為20MHz的晶體,五次泛音之后就可以得到100MHz的晶體。
一般以經驗來講,40MHz以下基本都是基頻晶振,而40MHz以上,則是泛音晶振了。因此,我們不難理解,為什么很多有源晶振頻率基本都算高頻的,并且成本也相對比較貴,有源晶振的成本除了內部晶片較薄以外,再就是自身有加一個振蕩片。
那么基頻晶振和泛音晶振在使用上又會有什么不同了?兩者在使用上肯定是有區別的,比如基頻的晶體,只需要接入適當的電容就可以工作,而泛音晶振則需要電感和電容配合使用才可振出泛音頻率,否則就只能振出基頻了。
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原文標題:你會用“晶振”么?
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