一、晶振的基本工作原理简析

1. 晶体振荡器的结构与分类

晶振是一种利用石英晶体的压电效应，实现频率稳定输出的无源元件，常见的振荡形式包括：

• 并联谐振电路（Pierce结构）

• 串联谐振电路

• Colpitts结构

• Clapp结构

其中，最广泛应用的是Pierce振荡电路，特别是在与单片机（如STM32、51系列）搭配时。本文将以该结构为分析核心。

2. Pierce振荡电路组成

该电路通常包括：

• 石英晶体（XTAL）

• 两个负载电容（C1、C2）

• 反馈电阻（Rf）

• 限流电阻（Rs）或起振电阻

如图所示（略，可补充电路图）：

lua复制编辑     MCU（时钟输入/输出）
        |        |
       C1       C2
        |        |
        o--XTAL--o
        |        |
        Rs      GND
        |
       VDD

二、反馈电阻的作用原理解析

1. 定义与位置

反馈电阻（Rf）一般连接在晶体振荡器两端，即并联于晶体之间或接于振荡放大器的输入与输出之间（如MCU的OSC_IN和OSC_OUT）。它的典型取值范围在 1MΩ~10MΩ。

2. 起振功能

晶振启动时，振荡器尚未处于稳定振荡状态，电路需要一个途径将微小的热噪声信号反复放大形成正反馈回路。此时，反馈电阻为放大器提供了直流偏置回路，使得放大器工作在放大区间内，从而实现起振。

• 没有Rf，放大器可能工作在线性区或截止区，导致振荡器无法启动；

• 有Rf，形成直流回路，使输出可持续反馈到输入端，维持振荡。

3. 高频抑制与稳态控制

反馈电阻在起振后也参与到信号整形过程中，对高频杂波或寄生振荡有一定的抑制作用，有助于提高系统抗干扰能力与稳定性。

4. 参数选择建议

**注意：**反馈电阻过大可能使起振变慢，过小又会影响放大器的增益，需权衡选择。

三、限流电阻的作用原理解析

1. 定义与位置

限流电阻（Rs）也称为串联电阻、起振电阻，位于晶体与振荡电路之间，典型位置是晶体一端串联接入电源或地。例如，在MCU的OSC_OUT脚与晶体之间。

2. 控制激励电流，保护晶体

晶体在工作时，由于其内部电阻非常小（约几十欧姆），一旦激励电流过大，会导致晶体发热、性能下降甚至击穿失效。此时，限流电阻起到如下作用：

• 限制激励功率：抑制起振初期过强电流；

• 保护晶体寿命：避免晶体老化、频率漂移；

• 控制振荡幅度：稳定工作波形，防止失真；

• 改善起振条件：提高振荡器的Q值（品质因数）。

3. 参数选择与参考值

特别提示：

• 在某些高速MCU中，限流电阻可以省略；

• 对于RTC晶振，限流电阻至关重要，否则频率稳定性极差。

四、反馈与限流电阻的协同作用

反馈电阻和限流电阻不是彼此孤立的，其作用互为补充：

综合来看：

• 反馈电阻保证振荡能起振；

• 限流电阻保证起振后不“炸机”或频率漂移；

• 两者配合，提高晶振电路的整体可靠性与鲁棒性。

五、实际应用中的设计建议

1. 微控制器厂商推荐

• ST（STM32系列）：

• 通常推荐Rf = 1MΩ~10MΩ；

• Rs = 100Ω~500Ω，尤其在低功耗L系列芯片中要求明确。

• Microchip（PIC系列）：

• 强调限流电阻对32kHz晶振的起振至关重要；

• 推荐并联电阻提高灵敏度。

• TI（MSP430系列）：

• RTC晶振推荐Rf = 10MΩ，Rs = 300kΩ以上；

• 严格限制晶体激励功率在1μW以下。

2. 布线与干扰控制

• 严禁晶振线过长，尽可能靠近MCU；

• 不得与高频信号线并排走线；

• 建议晶体及其电容位于地平面以上，屏蔽干扰源。