晶振電路為什么需要串聯(lián)外部Rext電阻，為什么有的沒(méi)有串聯(lián)Rext電阻？1000字搞定它

Part 01、前言

下圖中的Pierce振蕩器電路是個(gè)經(jīng)典的晶振振蕩電路，廣泛應(yīng)用于MCU最小系統(tǒng)。這張圖雖然簡(jiǎn)單，但包含了晶振電路設(shè)計(jì)中的核心元素：反相器、晶振、反饋電阻RF、限流電阻RExt以及負(fù)載電容CL1和CL2。

反相器、晶振、反饋電阻RF以及負(fù)載電容CL1和CL2這些器件大家已經(jīng)很熟悉了，似乎這個(gè)限流電阻Rext有時(shí)候在電路中能看到，有時(shí)候又看不到，那么晶振電路為什么需要串聯(lián)外部Rext電阻，為什么有的沒(méi)有串聯(lián)Rext電阻呢？

Part 02、Rext電阻的作用

1.防止過(guò)驅(qū)動(dòng)，保護(hù)晶振晶振內(nèi)部是石英晶體，晶振通過(guò)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生電信號(hào)。如果驅(qū)動(dòng)功率drive level過(guò)高，晶振會(huì)受到過(guò)大的機(jī)械應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致以下后果：

接觸電鍍損耗：晶振內(nèi)部的電極一般是銀或金電鍍，會(huì)逐漸磨損，導(dǎo)致接觸電阻增加。

頻率漂移：機(jī)械應(yīng)力的增加會(huì)改變晶振的諧振特性，頻率會(huì)逐漸上升。

早期失效：長(zhǎng)期過(guò)驅(qū)動(dòng)可能導(dǎo)致晶振徹底失效，無(wú)法振蕩。

Rext通過(guò)限制反相器輸出的電流，降低晶振的驅(qū)動(dòng)功率。如何確定Rext的阻值呢？晶振的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)指定一個(gè)最大驅(qū)動(dòng)功率，比如50uW到200uW。假設(shè)晶振的等效串聯(lián)電阻（ESR）為50Ω，最大驅(qū)動(dòng)功率為100uW，晶振的最大驅(qū)動(dòng)電流為：

并且反相器的輸出電壓（假設(shè)VDD=3.3V）可能遠(yuǎn)高于晶振需要的電壓，RExt通過(guò)分壓降低晶振兩端的電壓，限制電流。假設(shè)我們希望晶振電流不超過(guò)1mA，RExt的值可以估算為：

2.提供180度相位移

Rext和CL2一起形成一個(gè)低通網(wǎng)絡(luò)，為振蕩回路提供額外的相位移。Pierce振蕩器需要總相位移為360度，其中反相器提供180度相位移。晶振和負(fù)載電容網(wǎng)絡(luò)提供剩余的相位移。Rext和CL2的組合可以微調(diào)相位，確保振蕩條件成立，同時(shí)限制振蕩幅度，避免信號(hào)過(guò)強(qiáng)。

Part 03、為什么有的沒(méi)有串聯(lián)Rext電阻?

RExt的主要作用是限制晶振的驅(qū)動(dòng)功率，但如果晶振本身的驅(qū)動(dòng)功率需求很低，或者反相器的輸出能力已經(jīng)足夠"溫柔"，就不需要額外的RExt來(lái)限流。不同晶振對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的容忍度不同。目前市面上的晶振可以在較寬的驅(qū)動(dòng)功率范圍內(nèi)正常工作，比如10uW到200uW。如果反相器的輸出功率剛好在這個(gè)范圍內(nèi)，晶振就不會(huì)被過(guò)驅(qū)動(dòng)，自然不需要RExt。

并且MCU內(nèi)部的反相器通常已經(jīng)針對(duì)晶振驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化，輸出能力被設(shè)計(jì)得較為"溫和"。一些芯片會(huì)通過(guò)內(nèi)部電路，比如電流源或增益控制限制輸出電流，避免過(guò)驅(qū)動(dòng)晶振。這種情況下，外部RExt就顯得多余。具體可以參考MCU的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

有問(wèn)題歡迎在評(píng)論區(qū)留言交流哦！