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电路设计中晶体和晶振的区别

前言:在硬件电路设计中经常会涉及到时钟信号,具体包含晶体晶振有源晶振无源晶振等。


一、晶体

晶体:英文 Crystal,电路上一般会简写为 XTAL,需要外加时钟电路才能输出时钟信号,所以一般叫无源晶振,也叫谐振器电路设计中晶体和晶振的区别

晶体(crystal)是有明确衍射图案的固体,其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性,隔一定的距离重复出现,这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。

普通的单片机需外接晶体和两个电容,以STM32单片机为例,其OSC_IN和OSC_OUT是外部时钟源HSE的输入引脚,STM32的HSE时钟可以使用晶体或者晶振提供时钟源。

1.晶体一般是 2 脚或者 4 脚,2 脚最常见,晶体无极性,直插到PCB板子上,没有接地,精度低,

2.不供电,又称晶体谐振器,需要RC谐振电路才可以起振

 

二、晶振

晶振,英文 Crystal oscillator,电路上一般简写为 XO,内部有时钟电路,供电即可产生时钟信号,所以一般叫有源晶振,也叫振荡器

晶振一般是 4 脚,1 个 VCC,2 个 GND,1 个 Output。电路设计中晶体和晶振的区别

1.一般4个管脚(电源端、地、输出、还有一个压控或者悬空端子)贴片式

2.又称石英晶体振荡器

3.内部有时钟电路,供电即可产生时钟信号

 

我们再看一下晶振的种类:

  1. Package 石英振荡器,英文 SPXO:不施以温度控制及温度补偿的石英振荡器。频率温度特性依靠石英振荡晶体本身的稳定性。
  2. 温度补偿石英振荡器,英文 TCXO:附加温度补偿回路,减少其频率因周围温度变动而变化之石英振荡器。
  3. 电压控制石英振荡器,英文 VCXO:控制外来的电压,使输出频率能够变化或调变的石英振荡器。
  4. 恒温槽式石英振荡器,英文 OCXO:以恒温槽保持石英振荡器或石英振荡晶体在一定温度,控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器。

可以看到,不管是 VCXO 还是 TCXO,内部都带有电路进行补偿,所以价格上会比晶体贵,质量和准确度也会比晶体高不少,比如 GPS 上一般会选用 TCXO。

下面看一下晶振最重要的几个参数:

  1. 标称频率(Normal Frequency):晶振的标准频率,如 26MHz、32.768KHz 等。
  2. 频率误差(Frequency Tolerance)或频率稳定度(Frequency Stability):用单位 ppm 来表示,即百万分之一,是相对标称频率的变化量,此值越小表示精度越高,1MHz 的晶振,1 个 PPM 就是 1Hz 的偏差。
  3. 温度频差(Frequency Stability vs Temp):表示在特定温度范围内,工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离,它的单位也是 ppm。
  4. 负载电容 CL:负载电容是指晶振正常工作震荡所需要的电容。为使晶体能够正常工作,需要在晶体两端外接电容,来匹配达到晶体的负载电容。

那负载电容如何确定呢?

计算公式:CL=C1*C2/(C1+C2)+Cic+△C

C1 和 C2 为晶振两脚对地电容,称为匹配电容。

Cic 为集成电路内部电容,△C 为 PCB 板上电容,一般大小为 3~5pF。

匹配电容一般取 C1=C2=2CL,这样并联起来就接近负载电容 CL 了,在一般情况下,增大负载电容会使振荡频率下降,而减小负载电容会使振荡频率升高。

如果 crystal 所接的 IC 内部有负载电容,那外部的 C1 和 C2 就不需要了。电路设计中晶体和晶振的区别

一般 IC 的数据手册中会给出负载电容的大小。

思考一个问题:在有些电路设计中,晶体之间的并联电阻有什么作用?

电路设计中晶体和晶振的区别

问题解析:[晶体之间的并联电阻的作用.pdf]


来源:硬件之家&记得诚 

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