石英晶振在电路中作用是产生时钟，可以把石英晶振比喻为数字电路的心脏。这是因为数字电路的所有工作都离不开时钟信号，石英晶振直接控制着整个系统。若石英晶振不运作，那么整个系统也就瘫痪了，所以石英晶振是决定了数字电路开始工作的先决条件。石英晶振俗称晶振，是用石英材料做成，石英晶振具有较好稳定性和抗干扰性能。CPU的外围基本上都会用到石英晶振，电路中一般用“X”表示，有双极和四极封装，石英晶振的电气符合如下图所示。
石英晶振具有压电效应，即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，如果给晶片加上适当的交变电压，晶片就会产生谐振。谐振频率与石英斜面倾角等有关系，在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之的精度。晶振的主要参数有标称频率、负载电容、温度频差等，这些参数决定了晶振的品质和性能。
（1）标称频率。晶振规格书中所指定的频率为晶振的标称频率，也是在电路设计和元件选型时首要关注的参数。标称频率大都标注在晶振外壳上，晶振常用标称频率在1～200MHz之间，比如32.768Hz、8MHz、12MHz、24MHz等。高速CPU内部会使用更高的频率，高速CPU内部的频率会用PLL（锁相环）将外部晶振的频率进行倍频至1GHz以上。
（2）负载电容CL（Load capacitance）。晶振的负载电容是电路中跨接晶体两端的总的有效电容，并不仅是晶振外接的匹配电容。负载电容主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻，负载电容常用的标准值有12pF、16 pF、20pF，30pF，与晶体一起决定振荡器电路的工作频率。
（3）温度频差。温度频差表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离量，基准频率一般以晶振在25℃时输出频率为参考，晶振的温度频差单位是ppm（百万分，parts per billion）。
1. 石英晶振分类
石英晶振按外形分类可分为长方形晶振、圆柱形晶振、椭圆形晶振。按封装形式分类可分为玻璃真空密封型晶振、金属壳封装型晶振、陶瓷封装型和塑料壳封装型晶振。按负载电容特性分类可分为低负载电容型晶振和高负载电容型晶振。按谐振频率精度分类可分为高精度型晶振、普通型精度晶振、温度补偿式晶体振荡器、恒温控制式晶体振荡器。普通型精度晶振用的最多，如目前市场用量比较大的3225贴片晶振、2520贴片晶振、5032晶振等都通用晶体，插件类晶振如HC-49US、YT-26封装等也是通用晶振。高精密晶体的封装形式一般是HC-43U、45U等封装，高精密晶体在滤波器上的使用也较为广泛。常用贴片晶振3225和1612封装尺寸、常用插件封装YT-26 DIP和HC-49US DIP封装如下图所示。
石英晶振器件的发展趋势是小型化、高精度、低功耗和低振幅工作，为满足手持便携式产品轻薄的要求，石英晶振器件封装会进一步缩小并由传统的金属外壳向陶瓷封装转变。精度方面，普通晶振PXO（Packaged Crystal Oscillator）在没有采取温度补偿措施的情况下，晶振频率总精度能达到±10ppm，已能满足绝大部分产品的需求。温补晶振TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator）是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温的温度范围内满足稳定性要求，补偿后频率精度在±5ppm左右。恒温晶振OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）采用精密控温，使电路元件及晶体工作在零温度系数点的温度上，补偿后频率精度在±3ppm左右。晶振的低功耗、低振幅工作，快速启动也是晶振发展的趋势，材料的改进可以让晶振在低功耗、低振幅条件下可靠工作。
2. 选型与设计注意事项
石英晶振是一种高精度、高稳定度的振荡器，是利用石英晶体的压电效应而制成的谐振组件，广泛应用于各类电子产品的振荡电路中和用来做时钟源，为CPU系统和数据处理模块提供时钟信号。
（1）尽量选用无源晶振。无源晶振价格便宜且稳定性高，Crystal就是我们平常说所的无源晶振，Oscillator是我们平常说所的有源晶振，Oscillator=Crystal+信号加载电路，振荡器只要供电就可以直接输出方波信号。
（2）晶振频率偏差考虑。根据实际电路要求来选择频率偏差特性的晶振，普通晶振可以满足90%的电路需求，在宽温的应用环境和精度要求高的电路要选用温补晶振TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator）或者是恒温晶振OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）。
（3）晶振的工作温度。普通晶振的工作温度是-20℃到70℃，不同厂家的晶振温度范围相差较大，选用晶振是需要特别关注晶振的工作温度，超出温度范围可能导致石英晶体振荡器产生很大的频率漂移，同时还会导致晶振在特定温度下完全停止振荡。规避的做法是提前知道所选晶振型号的工作温度范围，并在指定的温度范围内使用。
（4）负载电容影响晶振频率稳定性。晶振的负载电容是从石英晶振元件两脚向振荡电路方向看进去的所有有效电容，其中包括了PCB板上的寄生电容。负载电容与石英晶振标称频率共同决定了晶振输出端的工作频率。通过调整负载电容，就可以将振荡电路的工作频率调整到标称值，晶振的数据手册一般都会给出推荐的负载电容值。负载电容值偏大时频率会微调下降，负载电容值偏小时频率会微调增大，在晶振电路中，负载电容计算公式如下。
C=[(C1*C2)/(C1+C2)]+Cic+Cpcb
C是晶振的负载电容。
C1、C2是分别接在晶振两个脚上的对地电容。
Cic是集成电路内部寄生电容。
Cpcb是PCB板的寄生电容，Cic+Cpcb的取值范围一般为3~5pF。
（5）激励功率与激励电平影响晶振运行的可靠性。激励功率的电流值一般是微安级别，大约60~150uA左右，激励功率一般在5~450uW左右。激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能，因此在电路设计的时候最好能测试出晶振的激励功率，要严格控制石英谐振器在规定的激励电平下工作，可以通过串联电阻来改变晶振的激励功率。通常情况下，激励电平偏小对于长期稳定来说有利，激励电平稍大对于起振时间有利。但是激励电平不能太大，加载的电压过高后晶振内石英片振动太强，导致振动区域温度升高石英片内产生温度梯度，会使频率稳定度降低。另外激励电平过大，由于石英片机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移，使频率产生永久性的变化，有时还会把石英片振坏。当然，激励电平过低也会使信噪比变小而影响稳定度，激励电平太低，谐振器不易起振，影响工作的可靠性。
（6）晶振的生产工艺要求。晶振内部是石英晶体，石英晶体材料的特性，受到外部撞击或跌落时易造成石英晶体断裂破损，进而造成晶振不起振。同时石英晶体对高温比其他的半导体器件要敏感，因此在手工焊接或机器焊接时，要注意焊接温度，焊接时温度不能过高，并且加热时间尽量短，过炉温度参考器件数据手册中提供的炉温曲线。
（7）石英晶振可靠性和寿命，了解石英晶振的可靠性和寿命特性，尤其是对于长期运行的系统，可以通过查阅制造商的规格表和性能数据来了解，以便选择最具性价比的石英晶振用在产品上。
（8）石英晶振尺寸和封装，考虑石英晶振的尺寸和封装形式，确保其适应具体的应用空间和布局，选用原则是尽量选用通用型封装，目前最主流的封装是SM3225。
（9）石英晶振的启动时间，石英晶振的启动时间是指从上电到产生一个稳定的时钟信号所需的时间。某些应用对启动时间有较为苛刻的要求，需要选择具有较短启动时间的石英晶振。
（10）石英晶振EMI/RFI干扰，需考虑石英晶振的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），主要措施有优化石英晶振的PCB走线、使用屏蔽、增加滤波电路等方法。
（11）PCB走线方面。器件布局，器件布局的时候晶振靠近其提供时钟源的IC放置，对地电容靠近晶振放置，器件位置摆放原则是按电流的方向器件依次摆放。PCB走线，晶振下面不要有其他的走线，保证完整铺地，同时在晶振的100mil范围内最好也不要布线，这样可以防止晶振干扰其他布线，也防止其他高频信号影响晶振。晶振时钟信号的走线应尽量短，走线宽8~12mil之间。圆柱形晶振可以在外壳接地处加一个和晶振外形差不多的矩形焊盘，让晶振外壳侧焊接在这个焊盘上，这样可以避免高温焊接对晶振的破坏，又能保证外壳接地良好。
3. 石英晶振测试注意事项
石英晶振的测试是确保它在实际应用中能够正常工作的重要环节，以下是一些测试石英晶振时需要注意的事项。
（1）频率测试，确保石英晶振的输出频率与规格书中指定的频率相匹配。这是最基本的测试，通常使用频率计或者相位噪声仪进行测试。
（2）启动时间测试， 测试石英晶振从上电状态到产生稳定时钟信号所需的时间。对于一些实时性要求较高的应用，启动时间可能是一个关键的性能指标。
（3）温度稳定性测试，确保在不同温度下石英晶振的频率变化在可接受范围内，可将石英晶振置于不同温度环境下进行测试，并记录测试结果。
（4）电源电压稳定性测试，检测石英晶振在不同电源电压条件下的性能。这有助于确保在实际应用中，石英晶振在电源波动时能够保持稳定的输出。
（5）使用寿命测试，通过长时间的运行来模拟石英晶振的老化过程，以评估其在时间内频率稳定性的表现。石英晶振是一种高精度、高稳定性的晶振，其有效期一般较长，可以达到几年甚至更长。但陶瓷晶振由于制造工艺和材料的差异，其有效期相对较短。
（6）抗振动和抗冲击测试，对于一些特殊应用环境，如汽车、航空航天等，测试石英晶振在振动和冲击条件下的性能，可以通过模拟实际环境下的振动和冲击来完成。
（7）相位噪声测试，如果对时钟信号的相位稳定性有要求，可以进行相位噪声测试，相位噪声是频率稳定性的一个重要指标。
（8）EMI/RFI测试，测试石英晶振是否受到电磁干扰（EMI）或射频干扰（RFI）的影响，以确保其在实际应用中不会引起或受到外部干扰。
（9）负载电容测试，在实际负载条件下测试石英晶振的性能，确保负载电容的正确选择和连接。
（10）对比实验，将石英晶振与其他已知性能的石英晶振进行对比测试，以验证其性能是否符合预期。
在进行石英晶振测试时，最好参考制造商提供的规格书和测试建议。同时，测试环境应该尽量模拟实际应用条件，以确保测试结果具有实际参考价值。
4. 厂家推荐
国产品牌的石英晶振已成为主流，在石英晶振电路设计过程中，建议使用国产品牌的石英晶振，推荐的生产厂家如下表所示。
厂家名称 厂家简介 广东惠伦晶体科技股份有限公司 广东惠伦晶体科技股份有限公司成立于2002年，是一家专业研发、生产和销售晶体谐振器的国家级高新技术企业。公司总部位于东莞市黄江镇，厂房总面积约80000平方米，拥有国际领先全自动生产线多达百余条。产品广泛应用于消费类电子、智能终端、网络设备、工业设备、智能安防、汽车电子等领域 惠伦晶体主要晶振产品有MHz晶振、振荡器晶体、TCXO、TSX、KHz晶体、金属罐头晶体等 泰晶科技股份有限公司 泰晶科技股份有限公司是一家国家级高新技术企业，专业从事频控器件、精密电路、微声学器件等电子元器件研发和生产，是国内频控器件的龙头企业。自2015年以来，不断推出的国内首创K系列和M系列产品。成功将半导体技术应用于频控器件，是全球少数几家掌握微纳米加工技术和生产微纳米级石英晶体的企业之一 泰晶科技主要的晶振产品有KHz晶振体、MHz晶体、石英晶体谐振器、内置热敏电阻石英晶体谐振器、温度补偿型石英晶体振荡器（TCXO）、恒温晶体振荡器（OCXO）等 深圳市晶峰晶体科技有限公司 深圳市晶峰晶体科技有限公司创立于1994年, 是一家专业从事高精度、超微型及特殊型石英晶体谐振器、滤波器及多功能振荡器研发、生产和销售的高新技术企业，为客户提供各类无铅产品，产品广泛应用于通讯、广电、家电、IT、汽车电子、安防、数码产品等领域 晶峰晶体主要的晶振产品有插件类晶振、贴片类晶振、振荡器、VCXO压控振荡器等 深圳市星通时频电子有限公司 深圳市星通时频电子有限公司，专业研发、生产、销售系列石英晶体谐振器、振荡器。工厂位于河源国家级高新技术产业园，拥有先进的生产、检测和检验设备，万级净化生产车间，工厂面积近10000㎡，生产设备齐全，形成为从晶片切割、研磨、晶片真空镀镆、全自动点胶、离子刻蚀微调、真空封焊、液氮封焊等一整套的加工生产能力。公司凭借多年晶振生产工艺技术和市场深耕的积累，以及个性化产品运用解决方案服务，已经成为国内及世界知名厂商供应合作伙伴 星通时频主要的晶振产品有石英晶振振荡器、直插晶体振荡器、KHz晶体振荡器、MHz晶体振荡器、恒温有源晶振（OCXO）等 成都恒晶科技有限公司 成都恒晶科技有限公司成立于2009年，位于成都市，是从事时频产品设计开发、生产到销售为一体的专业高科技企业。在振荡器设计、信号控制、信号处理等诸多技术领域坚持不断的探索，技将自主知识产权的软振荡技术创新地运用到时频控制产品领域，提供比传统产品拥有更好性能、更高可生产性和更低成本的产品 恒晶科技主要的晶振产品有TCXO、OCXO、VCXO和普通晶振等 唐山国芯晶源电子有限公司 唐山国芯晶源电子有限公司专业从事石英晶体谐振器、石英晶体振荡器产品的研发、生产与销售，现隶属于紫光集团旗下上市公司紫光国微002049.SZ）。其石英晶体谐振器广泛应用于网络通信、车用电子、工业控制、人工智能、医疗器械、物联网等领域，50%以上出口到美国、德国、韩国、港台等国家和地区，是国际知名企业直接配套供应商、国内通信设备厂商频率元器件国产化替代和“新基建”主力供应商之一。产品坚持“超微型、超高频、超稳定”技术路线，以及坚持“自动化、精益化、数智化”管理路线，紧跟国际先进技术趋势，努力为客户提供优质可靠的产品。其质量方针是持续改进，产品质量实现零缺陷，服务做到客户100%满意。 唐山国芯晶源电子有限公司的石英晶体谐振器有主要有SPXO、VCXO、TCXO、OCXO系列的石英晶体谐振器和石英晶体振荡器。
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