晶振电路电容选取的计算方法，干货收藏系列4

在电路图的设计过程中我们经常会遇到一个非常常见与实际的问题，那就是MCU的心脏——晶振，它所匹配的电容该选多大呢？

前辈们给我们的经验是22pf或者是6.8pf，那为什么选这样的值呢？

让我们来看看吧。

这里涉及到晶振的一个非常重要的参数，即负载电容CL（Load capacitance），它是电路中跨接晶体两端的总的“有效”电容（不是晶振外接的匹配电容），主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻，与晶体一起决定振荡器电路的工作频率，通过调整负载电容，就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。

负载电容的公式如下所示：

CS ：为晶体两个管脚间的寄生电容（Shunt Capacitance），它与晶振外接的匹配电容（也就是我们要确定大小的电容CL1、CL）是并联的。

CD：表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容，包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CO、外加匹配电容CL2，即CD=CPCB+CO+CL2（CG、CD， ）。

CG ：表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容，包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CI、外加匹配电容CL1，即CG=CPCB+CI+CL1（一般我们将CL1、CL2选为一样的值，因此CG、CD一般相同）。

它们与晶振是串联的。

一般CS 为1pF左右，CI与CO一般为几个皮法，CPCB=5pF，具体可参考芯片或晶振的数据手册。

如下

上图是TI公司MSP430单片机的芯片管脚寄生电容为2pf。

CPCB=5pF

不同公司生产的同一标称频率的晶振，所需要的负载电容CL（Load capacitance）可能不同。

我们以EPSON(爱普生) 的常用的32768HZ的晶振为例型号： Q13FC1350000400

我们以负载电容最高为12.5pf计算：CS 为1.5pF左右，CI与CO为5pf，CPCB=5pF

可以得出CL1为22pf.

再以7pf计算CS 为1pF左右，CI与CO为2pf，CPCB=4pF

可以得出CL1为6.8pf.左右

注意：CPCB，CS 在不同的芯片，不同的PCB布局当中是不同的，因此在计算当中我做了修改，在实际的运用当中，我们贴片式晶振中电容一般选22pf或6.8pf即可，（直插式晶振一般取30pF，22pf，晶振的频率取值在1.2MHz～12MHz之间也可以查看厂家的推荐电容值）。

晶振外接电容的选择与计算

在设计嵌入式单片机时，通常会使用到晶振，有源晶振使用起来比较简单，供电后就能工作。无源晶振稍微复杂一些，需要负载电容。那么什么是负载电容呢？它的容值是如何选择的？本次我们一起来探究下。

负载电容是指晶振要正常震荡所需要的电容。换句话说，晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的，能最大限度的保证频率值的误差，也能保证温漂等误差。

晶振的负载电容值是已知数，在出厂的时候已经定下来。单片机晶振上两个电容是晶振的外接电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十pf。在选择外接电容的时候是根据晶振厂家提供的晶振要求选值的，一般外接电容是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容。然后根据确定的负载电容推算，外接电容会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。

那么，如何来选择外接电容？

晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C

Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容。

Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。

Cd,Cg两个电容的取值都是相同的，或者说相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。

从上面公式可以看出，在Cic和△C较小被忽略时

晶振的负载电容=Cd/2

由上面的公式可以看出，晶振两端所接电容通常是所要求的负载电容的两倍。比如负载电容15pf的话，两边个接27pf的差不多了。

需要注意的是：在许可范围内，C1,C2值越低越好。C值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。在低功耗设计中晶体的选择非常重要，尤其带有睡眠唤醒的系统，往往使用低电压以求低功耗。

由于低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。

在振荡回路中，晶体既不能过激励(容易振到高次谐波上)也不能欠激励(不容易起振)。晶体的选择应考虑以下几个要素：谐振频点、负载电容、激励功率、温度特性、长期稳定性。

有的晶振推荐电路甚至需要串联电阻RS，它一般用来来防止晶振被过分驱动。过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升，造成频率偏移，加速老化。

在实际电路中，也可以通过示波器观察振荡波形来判断振荡器是否工作在最佳状态。工作良好的振荡波形应该是一个漂亮的正弦波，峰峰值应该大于电源电压的70%。若峰峰值小于70%，可适当减小外接电容。反之，若峰峰值接近电源电压且振荡波形发生畸变，则可适当增加电容。

如果正弦波形的波峰，波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动。判断电阻RS值大小的最简单的方法就是串联一个5k或10k的微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值。

选择晶振合适的外接电容很重要。你学会如何计算了没有？

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