晶振电路需要电容，主要是因为电容与石英晶体、振荡器内部电路共同构成稳定的振荡回路，并用于确定晶振的实际负载电容CL。 对于常见的Pierce振荡电路，晶振两端通常连接两个电容，电容值会影响晶振的起振、工作频率和频率稳定性。如果负载电容选择不合适，可能出现频率偏移、起振困难甚至不起振等问题。因此，晶振电路中的两个电容并不是简单的滤波元件，而是振荡电路正常工作的组成部分。

一、晶振为什么需要电容？

石英晶体利用压电效应工作。在外部电路提供激励后，石英晶体会在特定的机械谐振频率附近产生稳定振荡。但无源晶振本身并不能直接输出完整的时钟信号，需要与MCU或其他振荡电路配合才能形成完整的振荡器。实际应用中，一种非常常见的电路结构是Pierce振荡器（皮尔斯振荡器）。

典型的Pierce振荡器通常包括：石英晶体、反相放大器、两个负载电容、反馈电阻、MCU内部或外部的其他辅助电路。其中，晶体负责提供高Q值的频率选择特性，而两个电容则参与形成振荡器的反馈和负载网络。因此，晶振旁边的两个电容并不是简单的“辅助元件”，其参数会直接影响整个振荡电路的工作状态。

二、晶振电路中的两个电容有什么作用？

为晶振提供合适的负载条件。

晶体规格书通常会给出一个重要参数负载电容 CL（Load Capacitance）。例如8pF、12.5pF、18pF、20pF。这个参数表示晶体在规定测试条件下工作时所对应的等效负载条件。在实际电路中，晶体两端的两个外部电容会共同形成晶体所看到的等效负载电容。如果负载电容选择不合适，就可能导致：

振荡频率偏移

起振时间增加

起振裕量降低

振荡幅度异常

功耗变化

严重时无法正常起振

三、两个电容如何影响晶振频率？

晶振的实际工作频率会受到负载条件影响。对于常见的Pierce振荡器，在简化条件下，可以使用以下关系估算晶体看到的负载电容：

CL ≈ (C1 × C2) / (C1 + C2) + Cstray

- CL：晶体实际看到的等效负载电容

- C1、C2：晶振两端的外部负载电容

- Cstray：PCB走线、焊盘、芯片引脚以及内部电路产生的寄生电容

如果C1和C2取相同的数值，即：C1 = C2 = C

可以简化为：CL ≈ C/2 + Cstray

例如晶体规格书要求CL = 18pF。假设实际电路中的寄生电容约为Cstray = 4pF。那么18pF ≈ C/2 + 4pF。由此可以估算C ≈ 28pF。因此，实际设计时可以从27pF附近的标准值开始进行验证。但需要注意，实际设计还需要考虑MCU内部振荡器结构、芯片厂商推荐值、PCB寄生参数以及晶体本身的规格要求。因此，不能仅通过一个公式直接确定最终电容值。

四、负载电容过大有什么影响？

如果C1和C2选择过大，晶体看到的实际负载可能超过设计要求。可能产生以下影响：

1、 起振时间增加：更大的负载可能增加振荡器的启动难度，使晶振需要更长时间才能建立稳定振荡。

2、起振裕量降低：如果振荡器的驱动能力不足，过大的负载可能导致起振困难，甚至出现不起振的情况。

3、实际频率发生偏移：晶体的负载电容发生变化后，其实际工作频率也会随之变化。如果发现晶振频率与标称值存在偏差，需要检查负载电容是否合适。

4、功耗可能增加：对于某些振荡器电路，较大的负载会使驱动电路需要提供更多能量，从而可能增加功耗。

五、负载电容过小有什么影响？

负载电容也不是越小越好。如果C1和C2过小，实际负载电容可能低于晶体规格书要求，同样可能导致实际工作频率偏移、频率稳定性变化、振荡幅度发生变化、对PCB寄生参数更加敏感。晶振电容的选择需要在频率要求、起振裕量、驱动能力和功耗之间进行平衡。

六、PCB寄生电容为什么也要考虑？

晶振电路中的实际电容不仅来自外部贴片电容。还包括PCB走线电容、焊盘寄生电容、MCU引脚电容、芯片内部电容、晶振封装寄生参数。这些都会成为实际电路的一部分。PCB设计不同，即使使用相同型号的晶振和相同的C1、C2，最终测试得到的频率也可能存在一定差异。

这也是为什么晶振电路通常建议晶振靠近MCU；C1、C2靠近晶振和MCU；缩短晶振走线；避免不必要的过孔；避免靠近高速干扰信号。这样可以降低寄生参数和外部干扰对振荡电路的影响。

七、晶振电容应该怎么选？

1、查看晶体规格书：确认标称频率、CL负载电容、ESR、驱动功率、工作温度、封装尺寸。其中CL是选择负载电容的重要参数。

2、确认MCU推荐电路：如果使用MCU内部振荡器，应优先查看芯片厂商的数据手册。不同MCU内部振荡器结构不同，对晶振和外部电容的要求也可能不同。

3、估算PCB寄生电容：根据PCB布局、MCU引脚和封装等因素估算Cstray。

4、计算C1和C2：对于对称设计，可以使用CL ≈ C/2 + Cstray进行初步估算。

5、实际测试：最终还需要通过实际测试确认是否可靠起振、起振时间是否满足要求、输出波形是否正常、实际频率是否符合要求、驱动功率是否合适、不同温度下是否稳定。计算值只是初始选型，实际测试才是最终确认的重要依据。

八、两个电容一定要完全相同吗？

不一定。

在很多常见的Pierce振荡器中，C1和C2通常采用相同或接近的电容值，使振荡电路保持相对对称。但实际电路中，C1和C2并不一定必须完全相同。如果芯片厂商的数据手册给出了推荐值，应优先按照芯片厂商的设计方案进行选择。同时还需要考虑MCU内部电容、PCB寄生参数、晶体CL、振荡器结构、频率精度要求。

九、晶振电容选择不当会导致不起振吗？

会。如果负载电容明显偏离合理范围，可能影响振荡器的起振裕量。但需要注意：晶振不起振并不一定是电容的问题。如果晶振有电压但没有正常振荡，还应该检查：

晶振型号是否正确；

CL是否匹配；

ESR是否满足要求；

振荡器增益是否足够；

反馈电阻是否正确；

MCU是否正确配置为外部晶振模式；

PCB走线是否过长；

是否存在电源噪声；

晶振是否损坏；

晶振实际驱动功率是否在规定范围内。

因此，遇到晶振不起振时，不建议只更换电容。

十、为什么晶振电路中的电容通常是pF级？

晶振本身的工作频率和负载特性决定了其匹配电容通常比较小。常见晶振负载电容可能处于几个pF到几十pF的范围。如果使用远大于推荐值的电容，可能明显增加振荡器负担。而如果使用过小的电容，则PCB寄生电容可能成为不可忽略的因素，使实际负载条件发生较大变化。因此，晶振电路中的电容通常需要根据具体晶体和芯片进行精确选择。

常见问题

晶振为什么需要两个电容？

两个电容与晶体和振荡器共同构成Pierce振荡器的反馈及负载网络，同时影响晶体实际看到的负载电容和工作频率。

晶振两边的电容越大越好吗？

不是。电容过大可能增加振荡器负担、降低起振裕量，并导致频率偏移。

晶振CL=18pF，两个电容都选18pF可以吗？

不能直接这样判断。CL是晶体的负载电容参数，并不等于单个外部电容值。需要结合C1、C2以及PCB寄生电容进行计算。

晶振不起振一定是电容问题吗？

不一定。晶振不起振还可能与ESR、振荡器增益、反馈电阻、驱动功率、PCB布局、电源以及MCU配置等因素有关。

为什么同一个晶振换到不同PCB上频率会不同？

因为不同PCB的走线、焊盘、MCU引脚和封装产生的寄生电容不同，导致晶体实际看到的负载条件发生变化。

KOAN晶振

KOAN晶振提供无源晶振、有源晶振、32.768kHz音叉晶振、温补晶振（TCXO）、恒温晶振（OCXO）以及扩频晶振等产品，可根据不同频率、负载电容、频率稳定度、封装尺寸和应用环境进行选型。在晶振电路设计过程中，如果遇到晶振不起振、频率偏移、波形异常或负载电容匹配问题，建议结合具体晶振型号、MCU型号、CL参数、ESR、外围电容以及PCB布局进行综合分析，并以晶振和芯片规格书以及实际测试结果作为最终设计依据。选择合适的负载电容，是保证无源晶振可靠起振和稳定工作的关键环节之一。