負(fù)載電容究竟有多重要？看完本文你就明白了

why care 負(fù)載電容

負(fù)載電容（load capacitance）常用的標(biāo)準(zhǔn)值有 12.5 pF，16 pF，20 pF，30pF，負(fù)載電容與石英諧振器一起決定振蕩器的工作頻率，通過(guò)調(diào)整負(fù)載電容，一般可以將振蕩器的工作頻率調(diào)到標(biāo)稱(chēng)值。

負(fù)載電容和諧振頻率之間的關(guān)系不是線(xiàn)性的，負(fù)載電容變小時(shí)，頻率偏差量變大；負(fù)載電容提高時(shí)，頻率偏差減小。下圖是一個(gè)晶體的負(fù)載電容和頻率的誤差的關(guān)系圖。

圖 1、晶振誤差— 負(fù)載電容（22 pF 負(fù)載電容）

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負(fù)載電容的定義

從石英晶體插腳兩端向振蕩電路方向看進(jìn)去的全部有效電容為該振蕩電路加給石英晶體的負(fù)載電容。石英晶體的負(fù)載電容的定義如下式：

圖 1 中標(biāo)示出了 C_G，C_D，C_S的的組成部分。

圖 1、晶體振蕩電路的概要組成

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C_G指的是晶體振蕩電路輸入管腳到 gnd 的總電容（比如 USB PHY 的 USB_XI 信號(hào)到地）。容值為以下三個(gè)部分的和。

● USB_XI 管腳到 gnd 的寄生電容, C_i

● 晶體 - 震蕩電路 XI 的 PCB 走線(xiàn)到到 gnd 的寄生電容，C_PCBXI

● 電路上另外增加的并聯(lián)到 gnd“負(fù)載電容”, C_L1

C_D指的是晶體振蕩電路輸入管腳到 gnd 的總電容（比如 USB PHY 的 USB_XO 信號(hào)到地）。容值為以下三個(gè)部分的和。

● USB_XO 管腳到 gnd 的寄生電容, C_o

● 晶體 - 震蕩電路 XO 的 PCB 走線(xiàn)到到 gnd 的寄生電容，C_PCBXO

● 電路上另外增加的并聯(lián)到 gnd“負(fù)載電容”, C_L2

?C_S指的晶體兩個(gè)管腳之間的寄生電容（shunt capacitance），在晶體的規(guī)格書(shū)上可以找到具體值，一般 0.2pF~8pF 不等。如圖二是某 32.768KHz 的電氣參數(shù)，其寄生電容典型值是 0.85pF（在表格中采用的是 Co）。

圖 2、某晶體的電氣參數(shù)

C_i?以及 C_o?的取值，一般可以在芯片手冊(cè)上查詢(xún)到。比如圖三是某芯片的 XI/XO 的寄生電容值。

圖 3、某芯片的輸入電容

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C_L1/C_L2的計(jì)算過(guò)程

一般我們會(huì)說(shuō)，計(jì)算晶體振蕩電路的負(fù)載電容，事實(shí)上是根據(jù)晶體規(guī)格書(shū)上標(biāo)稱(chēng)的負(fù)載電容，計(jì)算出實(shí)際需要在晶體兩端安裝的電容 C_L1以及 C_L2的值。

假設(shè)我們需要計(jì)算的電路參數(shù)如下所述。芯片管腳的輸入電容如圖三 CN56XX 所示，C_i=4.8pF；所需要采用的晶體規(guī)格如圖二所示，負(fù)載電容 C_L=12.5pF，晶體的寄生電容 C_S=0.85pF。

我們可以得到下式：

為了保持晶體的負(fù)載平衡，在實(shí)際應(yīng)用中，一般要求 CG=CD，所以進(jìn)一步可以得到下式：

根據(jù) C_G的組成部分，可以得到：

C_G=C_i+C_PCBXI+C_L1=23.3pF

晶體布線(xiàn)時(shí)都會(huì)要求晶體盡量靠近振蕩電路，所以 C_PCBXI一般比較小，取 0.2pF；C_i=4.8pF。所以最終的計(jì)算結(jié)果如下：(C_L2的計(jì)算過(guò)程類(lèi)似)

C_L1=C_L2=18.3pF≈18pF

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例外情況

現(xiàn)在有很多芯片內(nèi)部已經(jīng)增加了補(bǔ)償電容（internal capacitance），所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，只需要選按照芯片 datasheet 推薦的負(fù)載電容值的選擇晶體即可，不需要額外再加電容。但是因?yàn)閷?shí)際設(shè)計(jì)的寄生電路的不確定性，最好還是預(yù)留 C_L1/C_L2的位置。

以上的計(jì)算都是基于 C_G=C_D的前提，的確有一些意外情況，比如 cypress 的帶 RTC 的 nvsram 的時(shí)鐘晶體要求兩邊不對(duì)稱(chēng)，但是幸運(yùn)的是，cypress 給出了詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程以及選型參考。

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