晶振电路的电容匹配

author：onceday date：2022年5月9日

modified date:2022年12月21日，感谢评论老哥的提醒，最后负载电容计算公式化简错误。

对于常见的MCU，其晶振电路的形式基本如下：

图1.1 典型的晶振电路图

其中需要计算的是CL1和CL2这两个参数，它们的大小通常取为相似的。

下面是一个立创商城典型的晶振，与CL1和CL2有关的是便是负载电容12pF了。

一般而言，RF电阻，单片机内部都已经配好了，它有两个主要的作用：

• 移相，与内部的运算放大器共同移位360度，使得信号正常。
• 限流，避免晶振过驱动。

更复杂的电路还有并联电阻，可参考以下文章了解： 晶振旁的电阻（并联与串联）和电容的作用。

那么问题一般就是对$C_{L1}$和CL2的计算了。

它们的作用主要把管脚两端的电容调整到负载电容大小，从而使得振荡器的工作频率调节到标称值。

一般计算公式如下：
$$C_L=C_S+\frac{C_I\ast C_O}{C_I+C_O}$$

• $C_I$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$C_{PCB}$、芯片管脚寄生电容$C_{PIN}$、外加匹配电容$C_{L1}$，即$C_I=C_{PCB}+C_{PIN}+C_{L1}$。
• $C_O$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$C_{PCB}$、芯片管脚寄生电容$C_{POUT}$、外加匹配电容$C_{L2}$，即$C_O=C_{PCB}+C_{POUT}+C_{L2}$。
• $C_S$为晶体两个管脚间的寄生电容，一般为1pF。
• $C_L$就是晶振的负载电容，如上面提到的12pF。

一般而言，$C_{PCB}+C_{IO}$为10pF左右，各占一半，通常估计都可以拿这个来算。如果要精确计算，最好要根据所使用的CPU或芯片的电气特性来计算。

实际使用中，$C_{L1}$和$C_{L2}$通常取一样的值$C_{L12}$。此时可简化计算。

代入上面的常用数据，可得：
$$\begin{gathered} C_L=1pF+\frac{(10pF+C_{L12})\times (10pF+C_{L12})}{2\times (10pF+C_{L12})} \\ 2C_L=2pF+10pF+C_{L12} \\ {C}_{L12}=2C_L-12pF \end{gathered}$$
对于常见的晶振电容负载值有：

$C_L$	$C_{L12}$
20pF	26~30pF
16pF	18~22pF
12PF	10~14pF

注意：这几个值计算出来只是供参考，可以看到，实际使用的电容值，并不需要这么准确，而且需要根据实际测试的情况决定，但它们可用于快速确定负载电容的范围。现在一般根据芯片手册选取$C_{L1}$和$C_{L2}$的值即可。

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