晶振的负载电容、寄生电容和动态电容及参考值

面包板社区 2022-01-29 20:00

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石英晶振谐振器（Xtal）作为一种用途广泛的频率元器件，厂家们都在规格书列出了标称频率、频率稳定性、工作温度、负载电容（Load capacitance）等基本参数，有的还提供了寄生电容（Shunt capacitance）和动态电容（Motional capacitance）指标。

例如，图1晶振的负载电容CL推荐值为9pF、12.5pF，动态电容C1为6.0fF，寄生电容Cs为1.2pF。那么，这三个电容代表了什么？动态电容单位fF又是一个什么样的量级？

图1. 厂商提供的32.768kHz晶振规格书

负载电容与寄生电容

负载电容（Load capacitance）是以晶振为核心的整个振荡回路的全部有效电容的总和。这个CL值的大小决定着振荡器的工作频率，通过调整负载电容，就可以将振荡器的工作频率调到标称值。

图2. 晶体的负载电容和频率的误差的关系图。

负载电容CL由厂家规格书给出，标准值有12.5 pF、16 pF、20 pF、30pF。CL容值大小和谐振频率之间的关系不是线性的。从图2 看出，CL变小时，频率偏差量变大；提高时，频率偏差减小。

图3. 晶振电路及负载电容定义

负载电容CL由CG、CD、CS组成。除了振荡电路中的两个外置电容器外，还包括晶体两个管脚之间的寄生电容（shunt capacitance），IC芯片两个引脚的寄生电容，以及来自PCB的杂散电容。在图3中，CG是晶体振荡电路输入管脚到gnd的总电容（包括外置的CG电容、微乎其微的晶振引脚两部分）；CD是晶体振荡电路输出管脚到gnd的总电容（包括外置的CD电容、微乎其微的晶振引脚两部分）；CS是总的寄生电容（shunt capacitance）。这里，寄生电容（CS）有时也称作并联电容，规格书上可以找到具体值，大小一般为0.2~8pF不等，例如图1所示的规格书中的寄生电容（shunt capacitance）为1.2pF。至于来自IC芯片引脚的Ci 以及Co，一般可以在芯片手册上查询到。相比CS，芯片的Ci 以及Co 值要小得多，完全可以忽略。接下来，我们计算外置电容CG和CD的取值大小。为了保持晶体的负载平衡，在实际应用中一般要求CG=CD，这样图3中的公式变为：CL = CG/2 + CS= CD/2 + CS。将图1中的CL、CS数据引入，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芯片内部已经增加了补偿电容（internal capacitance），用户只需要按照IC芯片datasheet推荐的负载电容值选择合适的石英晶体，不需要再额外增加电容了。但是因为寄生电路的不确定性，实际设计中最好还是为CG/CD预留位置。

动态电容及单位fF

除了负载电容与寄生电容，晶振的特征参数还有容性指标——动态电容（Motional capacitance），有些晶振厂家会提供这个指标，大小一般是几个fF。这里，我们需要注意fF是一个很小的电容单位：1f = 10-151F = 103mF = 106μF = 109nF = 1012pF = 1015fF1fF = 10-3pF = 10-6nF = 10-9μF = 10-15F 可见，晶振的动态电容（Motional capacitance）是一个非常小的数值，对负载电容影响微乎其微，难怪大多数晶振厂家都不提供这个参数！