无源晶体与有源晶振的区别、应用范围及用法

只看该作者 · 2012-11-19 14:35

1、无源晶体——无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。
2、有源晶振——有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如TI 的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。

只看该作者 · 2012-11-19 14:36

几点注意事项：
1、需要倍频的DSP需要配置好PLL周边配置电路，主要是隔离和滤波；
2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，20MHz以上的大多是谐波的（如3次谐波、5次谐波等等），稳定度差，因此强烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感，其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件；
3、时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，与其它印制线间距尽可能大，紧靠器件布局布线，必要时可以走内层，以及用地线包围；
4、通过背板从外部引入时钟信号时有特殊的设计要求，需要详细参考相关的资料。

只看该作者 · 2012-11-19 14:37

此外还要做一些说明：
            总体来说晶振的稳定度等方面好于晶体，尤其是精密测量等领域，绝大多数用的都是高档的晶振，这样就可以把各种补偿技术集成在一起，减少了设计的复杂性。试想，如果采用晶体，然后自己设计波形整形、抗干扰、温度补偿，那样的话设计的复杂性将是什么样的呢？我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场合，就是采用高精度温补晶振的，工业级的要好几百元一个。
            特殊领域的应用如果找不到合适的晶振，也就是说设计的复杂性超出了市场上成品晶振水平，就必须自己设计了，这种情况下就要选用晶体了，不过这些晶体肯定不是市场上的普通晶体，而是特殊的高端晶体，如红宝石晶体等等。
更高要求的领域情况更特殊，我们这里在高精度测试时采用的时钟甚至是原子钟、铷钟等设备提供的，通过专用的射频接插件连接，是个大型设备，相当笨重。
               晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指钟振。

只看该作者 · 2012-11-19 14:38

2、分类：
首先说一下谐振器。
            谐振器一般分为插件（Dip）和贴片（SMD）。插件中又分为HC-49U、HC-49U/S、音叉型（圆柱）。HC-49U一般称49U，有些采购俗称 “高型”，而HC-49U/S一般称49S，俗称“矮型”。音叉型按照体积分可分为3*8，2*6，1*5，1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5（0705）、6*3.5（0603），5*3.2（5032）等等。脚位有4pin和2pin之分。
            而振荡器也是可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称为正方形或者8pin。不过要注意的是，这里的14pin和 8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数，振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分，又可分为OSC(普通钟振)， TCXO（温度补偿），VCXO（压控），OCXO（恒温）等等。
3、基本术语。我想这也是很多采购同学比较模糊的地方。这里我选了一些常用的谐振器术语拿来做一下解释。
Frequency Tolerance（调整频差）：在规定条件下，在基准温度（25±2℃）与标称频率允许的偏差。一般用PPm（百万分之）表示。
               Frequency Stability(温度频差)：指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差。用PPm表示。
Aging（年老化率）：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。
Shunt Capacitance（静电容）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。
Load Capacitance（负载电容）：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用CL表示。
               一般最关注的参数有2个，即调整频差，负载电容。有一部分对温度频差有要求。如果工作温度范围比较广，则会对工作温度范围有所要求，即所谓宽温。
4、选用。主要讲讲谐振器。理论上来说，只要参数确定，选任何一种型号都是可以正常使用的。例如49U和49S替换，49S和圆柱以及和贴片替换，都是没有问题的。但在实际选择中会根据电路特点，成本以及便利性来考量和选择。一般来说，简单的应用中主要都是从成本在考虑。但是有些产品或者电路会对晶振的等效电阻，激励功率等等提出要求，所以就会在不同的型号中加以选择。另外，贴片则主要是为了适应产品日益小型化和提高生产效率的要求。听到有些采购朋友说，只能选49S而不能用49U或者反之，这是一个小误区。呵呵。
            而钟振的选择则主要决定产品电路的特性的要求，一般来说钟振在精密性以及需要达到相关应用的要求会更好。例如手机，通信机站，卫星等等