为什么单片机的晶振旁边要加电容呢？
引言
说到“晶振”，或者晶体谐振器（crystal resonator），你一定不陌生，很多电子产品中都有它的身影，网上随便一搜就可看到很多：
特别的，如果你有带电子手表的习惯，那么拆开手表，里面驱动计时的就是一颗晶振，它有着36.768khz的振荡频率
为什么是36.768khz这个频率？这里我们暂且不表，先来讲述一些关于晶振的基本概念。
一、晶振的压电效应
我们把晶振的外壳去除，可以看到内部是一种半透明的材质，外加两个引出的电极引脚
这种半透明的材质叫做“石英”晶体（quatz）。石英由硅元素（si）和氧元素（o）构建而成，结晶时，其原子在空间上排列非常规则（白色代表si，红色代表o）。
由于这种空间上的特殊排列组合，在没有被挤压的时候，晶格的中心位置上正负电抵消，是0电势，但是当受到外在压力时，晶格的中心位置上的电势会偏移，从而产生电压。
这种现象就是“压电效应”：当对压电材料施以压力时，能产生电；反过来，当给压电材料通电，能产生形变。
譬如，我们用对石英晶体进行敲打，能用万用表测得电压的变化。
可以想象，石英这种压电材料，其实质就是将机械能和电能相互转换，所以有时也被称为“换能器”（transducer）。
特别的，每种材料都有自己的共振频率，如果施加的是交流电，电的频率和材料本身的共振频率一致，能量就会在机械能和电能最大化转换。这种共振频率取决于石英晶体的切割方式，如由石英晶体的尺寸（厚度）、形状、振动模式等因素来决定。
图6-晶振振动模式（手表里通常都是音叉式晶振，对照图2）
二、晶振的阻抗特性
晶振本身只是一种单纯的压电材料，为了电学上的计算分析，我们绘制它的等效电路：
图7-晶振的等效电路
等效电路分为两部分：一部分是lm、cm、rm构建的串联电路，这部分代表着晶振在发生形变振动时的效果，老外也将其称为晶振的运动（motional）参数；另一部分是一个c0并联在lcr电路上，这个c0的容值比cm要大很多，代表了两个电极引脚产生的分布或寄生电容。
这种电路组合意味着晶振有两个谐振频率，一个是由lm、cm、rm串联电路形成的谐振频率fs；另一个是lm、cm、rm整体与c0并联电路形成的谐振频率fp：
图8-晶振的阻抗特性曲线（红线）
当晶振上通过的信号频率：
小于fs时，电路更显容性；等于fs时，容性阻抗和感性阻抗相互抵消，电路呈现纯阻性，电路整体阻抗最小；大于fs时，电路更显感性；等于fp时，c0与lm、cm、rm（显感性）形成lc并联谐振电路，电路呈现纯阻性，电路整体阻抗最大；大于fp时，电路更显容性；我们来看一下fs和fp的计算公式：
图9-晶振串联和并联谐振频率计算
由于lm很大（数百mh甚至更大），c0相比cs也很大，这导致fs和fp是非常接近的。实际上晶振的工作频率（标称频率）就是处于fs和fp之间的某个频率值。
那你说晶振看起来就是一个lc电路啊，那直接用lc来做就行了，费这么大劲搞什么压电效应这是何必呢？
这是因为现实当中，出于成本、工艺、体积等考虑，使用lc等元器件搭建的电路，很难做到像晶振里等效lm（电感很大）、rm（电阻很小）的程度，而这些参数和lc电路的品质因素q有关系：
图10-晶振的品质因素计算
晶振的q一般能达到数千的数值，而普通lc电路的q只有数百的数值。q越大，选频能力越好，振荡越稳定。这就是晶振相比传统lc电路的优势。
三、晶振的振荡电路——皮尔斯振荡器（pierce oscillator）
说了这么多，你应该理解了，平时所谓的“晶振”，只是一种基于压电材料的元器件，而且计算上就把它当做是lc电路来分析。作为lc类被动型元器件，它可以用于滤波或者相移，但本身不是振荡器，还需要依靠额外的电路才能获得稳定振荡。这就要说到振荡器模型：
图11-振荡器模型
如果连续看过本期系列文章，就知道这个模型出现过多次，晶振的角色肯定是位于反馈网络里的。根据barkhausen（巴克豪森）准则，在振荡频率上，晶振要实现反馈信号和输入信号（热噪声）满足0相位差，起到正反馈的作用。怎么实现呢？这就说到皮尔斯振荡器了：
图12-皮尔斯振荡器（pierce oscillator）
上图中，线框起来的部分一般都在单片机内部实现，如stm32就是这样的，但也有例外的单片机。两个c1和c2统称为负载电容（通常为数十个pf），rs为串联电阻，rf为反馈电阻，运放作为反向器。
为了更好的理解皮尔斯振荡器的工作原理，我们将上述电路图改画如下：
图13-皮尔斯振荡器-电路图
上图，由于运放作为反向器，对信号相位改变180°。那么，整个rs、c1、c2、晶振构成的反馈网络的整体相移也需是180°。其中，rs和c1构成一个rc电路，具体相移多少由两者参数而定，但rc电路相移肯定小于90°。这意味着晶振和c2上的相移必定要大于90°才行。
回顾图7的晶振阻抗特性曲线，只有当晶振作为一个电感的时候，晶振和c2上的相移才能大于90°。也就是说，晶振的振荡频率要求在fs和fp之间。
实际上，所谓的晶振“标称频率”，如4mhz、8mhz、16mhz，都是在指附加了某个负载电容情况下测得的，这点从晶振的规格书上可以看到：
图14-晶振规格书-负载电容（见图中“load capacitance”）
可以理解为，负载电容是晶振正常工作的一部分。
最后，我们来看一下皮尔斯振荡器的仿真电路图效果：
图15-皮尔斯振荡器-仿真电路图效果
四、总结
今天介绍了晶振的压电效应、等效电路、以及振荡器电路。mcu晶振旁边通常要加上负载电容，因为它们是振荡器起振的一部分，而不是为了滤波。
值得注意的是，今天说的晶振通常指的是“晶体谐振器”（crystal resonator），它是无源的，需要借助外部振荡电路来工作。还有一种称为“晶体谐振器”（crystal oscillator），在它内部有芯片，包含了完整的皮尔斯振荡器电路，接上电源就能输出振荡波形了。
可穿戴Loop环系统获得FDA许可
Mini LED需求增大给全自动点胶机带来怎样的机遇
芯讯通、龙尚科技CEO杨涛出席Ayla战略发布会
全球半导体市场下滑超两位数几无悬念 芯片厂商凭啥给出增长预期？
迅为STM32MP157开发板入门教程之外设功能验证
为什么单片机的晶振旁边要加电容呢？
火爆的区块链到底可以做一些什么
铁锂电池再受市场关注，安全性是最大优势
Redmi K30 5G网络实测 下载速度达949Mbps
过孔导电滑环安装方法
高刷新率屏幕为什么会这样受欢迎？
MAX20069及汽车TFT-LCD应用
三菱电机和安世半导体将合作共同开发碳化硅功率半导体
嵌入式革的是云计算的命从而解决了用户场景
2019高端市场需求将进一步增大 洗衣机企业各自发力
对六核处理器的应用测试很关键
想知道三星CMOS图像传感器征服市场的秘诀吗？本文告诉你秘诀
M12圆形连接器：最可靠有效的连接标准之一，故障率低、性能高
DS2780电路板布局，最大限度降低电流测量失调误差
如何开始在ESP-01 WIFI模块上对ESP8266微控制器进行编程
说到“晶振”，或者晶体谐振器（crystal resonator），你一定不陌生，很多电子产品中都有它的身影，网上随便一搜就可看到很多：
特别的，如果你有带电子手表的习惯，那么拆开手表，里面驱动计时的就是一颗晶振，它有着36.768khz的振荡频率
为什么是36.768khz这个频率？这里我们暂且不表，先来讲述一些关于晶振的基本概念。
一、晶振的压电效应
我们把晶振的外壳去除，可以看到内部是一种半透明的材质，外加两个引出的电极引脚
这种半透明的材质叫做“石英”晶体（quatz）。石英由硅元素（si）和氧元素（o）构建而成，结晶时，其原子在空间上排列非常规则（白色代表si，红色代表o）。
由于这种空间上的特殊排列组合，在没有被挤压的时候，晶格的中心位置上正负电抵消，是0电势，但是当受到外在压力时，晶格的中心位置上的电势会偏移，从而产生电压。
这种现象就是“压电效应”：当对压电材料施以压力时，能产生电；反过来，当给压电材料通电，能产生形变。
譬如，我们用对石英晶体进行敲打，能用万用表测得电压的变化。
可以想象，石英这种压电材料，其实质就是将机械能和电能相互转换，所以有时也被称为“换能器”（transducer）。
特别的，每种材料都有自己的共振频率，如果施加的是交流电，电的频率和材料本身的共振频率一致，能量就会在机械能和电能最大化转换。这种共振频率取决于石英晶体的切割方式，如由石英晶体的尺寸（厚度）、形状、振动模式等因素来决定。
图6-晶振振动模式（手表里通常都是音叉式晶振，对照图2）
二、晶振的阻抗特性
晶振本身只是一种单纯的压电材料，为了电学上的计算分析，我们绘制它的等效电路：
图7-晶振的等效电路
等效电路分为两部分：一部分是lm、cm、rm构建的串联电路，这部分代表着晶振在发生形变振动时的效果，老外也将其称为晶振的运动（motional）参数；另一部分是一个c0并联在lcr电路上，这个c0的容值比cm要大很多，代表了两个电极引脚产生的分布或寄生电容。
这种电路组合意味着晶振有两个谐振频率，一个是由lm、cm、rm串联电路形成的谐振频率fs；另一个是lm、cm、rm整体与c0并联电路形成的谐振频率fp：
图8-晶振的阻抗特性曲线（红线）
当晶振上通过的信号频率：
小于fs时，电路更显容性；等于fs时，容性阻抗和感性阻抗相互抵消，电路呈现纯阻性，电路整体阻抗最小；大于fs时，电路更显感性；等于fp时，c0与lm、cm、rm（显感性）形成lc并联谐振电路，电路呈现纯阻性，电路整体阻抗最大；大于fp时，电路更显容性；我们来看一下fs和fp的计算公式：
图9-晶振串联和并联谐振频率计算
由于lm很大（数百mh甚至更大），c0相比cs也很大，这导致fs和fp是非常接近的。实际上晶振的工作频率（标称频率）就是处于fs和fp之间的某个频率值。
那你说晶振看起来就是一个lc电路啊，那直接用lc来做就行了，费这么大劲搞什么压电效应这是何必呢？
这是因为现实当中，出于成本、工艺、体积等考虑，使用lc等元器件搭建的电路，很难做到像晶振里等效lm（电感很大）、rm（电阻很小）的程度，而这些参数和lc电路的品质因素q有关系：
图10-晶振的品质因素计算
晶振的q一般能达到数千的数值，而普通lc电路的q只有数百的数值。q越大，选频能力越好，振荡越稳定。这就是晶振相比传统lc电路的优势。
三、晶振的振荡电路——皮尔斯振荡器（pierce oscillator）
说了这么多，你应该理解了，平时所谓的“晶振”，只是一种基于压电材料的元器件，而且计算上就把它当做是lc电路来分析。作为lc类被动型元器件，它可以用于滤波或者相移，但本身不是振荡器，还需要依靠额外的电路才能获得稳定振荡。这就要说到振荡器模型：
图11-振荡器模型
如果连续看过本期系列文章，就知道这个模型出现过多次，晶振的角色肯定是位于反馈网络里的。根据barkhausen（巴克豪森）准则，在振荡频率上，晶振要实现反馈信号和输入信号（热噪声）满足0相位差，起到正反馈的作用。怎么实现呢？这就说到皮尔斯振荡器了：
图12-皮尔斯振荡器（pierce oscillator）
上图中，线框起来的部分一般都在单片机内部实现，如stm32就是这样的，但也有例外的单片机。两个c1和c2统称为负载电容（通常为数十个pf），rs为串联电阻，rf为反馈电阻，运放作为反向器。
为了更好的理解皮尔斯振荡器的工作原理，我们将上述电路图改画如下：
图13-皮尔斯振荡器-电路图
上图，由于运放作为反向器，对信号相位改变180°。那么，整个rs、c1、c2、晶振构成的反馈网络的整体相移也需是180°。其中，rs和c1构成一个rc电路，具体相移多少由两者参数而定，但rc电路相移肯定小于90°。这意味着晶振和c2上的相移必定要大于90°才行。
回顾图7的晶振阻抗特性曲线，只有当晶振作为一个电感的时候，晶振和c2上的相移才能大于90°。也就是说，晶振的振荡频率要求在fs和fp之间。
实际上，所谓的晶振“标称频率”，如4mhz、8mhz、16mhz，都是在指附加了某个负载电容情况下测得的，这点从晶振的规格书上可以看到：
图14-晶振规格书-负载电容（见图中“load capacitance”）
可以理解为，负载电容是晶振正常工作的一部分。
最后，我们来看一下皮尔斯振荡器的仿真电路图效果：
图15-皮尔斯振荡器-仿真电路图效果
四、总结
今天介绍了晶振的压电效应、等效电路、以及振荡器电路。mcu晶振旁边通常要加上负载电容，因为它们是振荡器起振的一部分，而不是为了滤波。
值得注意的是，今天说的晶振通常指的是“晶体谐振器”（crystal resonator），它是无源的，需要借助外部振荡电路来工作。还有一种称为“晶体谐振器”（crystal oscillator），在它内部有芯片，包含了完整的皮尔斯振荡器电路，接上电源就能输出振荡波形了。
可穿戴Loop环系统获得FDA许可
Mini LED需求增大给全自动点胶机带来怎样的机遇
芯讯通、龙尚科技CEO杨涛出席Ayla战略发布会
全球半导体市场下滑超两位数几无悬念 芯片厂商凭啥给出增长预期？
迅为STM32MP157开发板入门教程之外设功能验证
为什么单片机的晶振旁边要加电容呢？
火爆的区块链到底可以做一些什么
铁锂电池再受市场关注，安全性是最大优势
Redmi K30 5G网络实测 下载速度达949Mbps
过孔导电滑环安装方法
高刷新率屏幕为什么会这样受欢迎？
MAX20069及汽车TFT-LCD应用
三菱电机和安世半导体将合作共同开发碳化硅功率半导体
嵌入式革的是云计算的命从而解决了用户场景
2019高端市场需求将进一步增大 洗衣机企业各自发力
对六核处理器的应用测试很关键
想知道三星CMOS图像传感器征服市场的秘诀吗？本文告诉你秘诀
M12圆形连接器：最可靠有效的连接标准之一，故障率低、性能高
DS2780电路板布局，最大限度降低电流测量失调误差
如何开始在ESP-01 WIFI模块上对ESP8266微控制器进行编程