晶振的三個電容的含義

石英晶振諧振器（Xtal）作為一種用途廣泛的頻率元器件，廠家們都在規(guī)格書列出了標(biāo)稱頻率、頻率穩(wěn)定性、工作溫度、負(fù)載電容（Load capacitance）等基本參數(shù)，有的還提供了寄生電容（Shunt capacitance）和動態(tài)電容（Motional capacitance）指標(biāo)。

例如，圖1晶振的負(fù)載電容CL推薦值為9pF、12.5pF，動態(tài)電容C1為6.0fF，寄生電容Cs為1.2pF。那么，這三個電容代表了什么？動態(tài)電容單位fF又是一個什么樣的量級？

圖1. 廠商提供的32.768kHz晶振規(guī)格書

負(fù)載電容與寄生電容

負(fù)載電容（Load capacitance）是以晶振為核心的整個振蕩回路的全部有效電容的總和。這個CL值的大小決定著振蕩器的工作頻率，通過調(diào)整負(fù)載電容，就可以將振蕩器的工作頻率調(diào)到標(biāo)稱值。

負(fù)載電容CL由廠家規(guī)格書給出，標(biāo)準(zhǔn)值有12.5 pF、16 pF、20 pF、30pF。CL容值大小和諧振頻率之間的關(guān)系不是線性的。從圖2 看出，CL變小時，頻率偏差量變大；提高時，頻率偏差減小。

圖2. 晶振電路及負(fù)載電容定義

負(fù)載電容CL由CG、CD、CS組成。除了振蕩電路中的兩個外置電容器外，還包括晶體兩個管腳之間的寄生電容（shunt capacitance），IC芯片兩個引腳的寄生電容，以及來自PCB的雜散電容。在圖2中，CG是晶體振蕩電路輸入管腳到gnd的總電容（包括外置的CG電容、微乎其微的晶振引腳兩部分）；CD是晶體振蕩電路輸出管腳到gnd的總電容（包括外置的CD電容、微乎其微的晶振引腳兩部分）；CS是總的寄生電容（shunt capacitance）。這里，寄生電容（CS）有時也稱作并聯(lián)電容，規(guī)格書上可以找到具體值，大小一般為0.2~8pF不等，例如圖1所示的規(guī)格書中的寄生電容（shunt capacitance）為1.2pF。至于來自IC芯片引腳的Ci 以及Co，一般可以在芯片手冊上查詢到。相比CS，芯片的Ci 以及Co 值要小得多，完全可以忽略。接下來，我們計算外置電容CG和CD的取值大小。為了保持晶體的負(fù)載平衡，在實際應(yīng)用中一般要求CG=CD，這樣圖3中的公式變?yōu)椋篊L = CG/2 + CS= CD/2 + CS。將圖1中的CL、CS數(shù)據(jù)引入，可得出：CG/2 = CD/2 = CL - CS = 12.5pF - 1.2pF = 11.3pFCG = CD = 22.6pF

值得注意的是，目前很多IC芯片內(nèi)部已經(jīng)增加了補償電容（internal capacitance），用戶只需要按照IC芯片datasheet推薦的負(fù)載電容值選擇合適的石英晶體，不需要再額外增加電容了。但是因為寄生電路的不確定性，實際設(shè)計中最好還是為CG/CD預(yù)留位置。

動態(tài)電容及單位fF

除了負(fù)載電容與寄生電容，晶振的特征參數(shù)還有容性指標(biāo)——動態(tài)電容（Motional capacitance），有些晶振廠家會提供這個指標(biāo)，大小一般是幾個fF。這里，我們需要注意fF是一個很小的電容單位：1f = 10-151F = 103mF = 106μF = 109nF = 1012pF = 1015fF1fF = 10-3pF = 10-6nF = 10-9μF = 10-15F 可見，晶振的動態(tài)電容（Motional capacitance）是一個非常小的數(shù)值，對負(fù)載電容影響微乎其微，難怪大多數(shù)晶振廠家都不提供這個參數(shù)！

審核編輯：黃飛