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有源晶振与无源晶振详解:区别、应用与选型指南

一、基本定义
  1. 无源晶振(Crystal,晶体谐振器)

    • 结构:仅包含石英晶体,无内置振荡电路。

    • 工作原理:依赖外部电路(如MCU的振荡器)驱动,通过机械振动产生谐振频率。

    • 核心公式
      谐振频率:f = 1 / (2π√(L1·C1))
      (L1:等效电感;C1:等效电容)

  2. 有源晶振(XO,晶体振荡器)

    • 结构:集成石英晶体 + 振荡电路 + 输出驱动,直接输出方波/正弦波信号。

    • 工作原理:内置振荡器,仅需供电即可独立工作。

    • 核心公式
      输出频率精度:Δf/f = ±ppm值
      (如±10ppm,即每百万秒误差±10秒)


二、核心区别对比
对比项无源晶振有源晶振
电路需求需外部振荡电路(如MCU的OSC_IN/OSC_OUT)独立工作,无需外部电路
输出信号正弦波(需整形电路)方波/削峰正弦波(直接驱动逻辑器件)
功耗低(依赖外部驱动电流)较高(内置电路功耗,通常1mA~50mA)
频率稳定性±10ppm~±50ppm(受外部电路影响)±0.1ppm~±50ppm(高精度型号可达±0.001ppm)
成本低(0.1元~5元)高(5元~500元,依赖精度和封装)
启动时间较长(ms级,需起振过程)短(μs级,上电即稳定)
抗干扰能力弱(依赖PCB布局和外部电路)强(内置滤波和稳压)

三、应用场景
1. 无源晶振的典型应用
  • 低成本消费电子:如蓝牙耳机、遥控器(MCU主频≤100MHz)。

  • 嵌入式系统:STM32、ESP32等MCU的时钟源(需配置负载电容)。

  • 负载电容公式
    C_load = (C1 × C2) / (C1 + C2) + C_stray
    (C_stray为PCB寄生电容,通常3pF~5pF)

2. 有源晶振的典型应用
  • 高频与高精度场景

    • 通信设备(5G基站、光模块,频率≥100MHz)。

    • 精密仪器(原子钟同步,TCXO/OCXO温补晶振)。

  • 复杂环境:工业控制(抗振动、宽温-40℃~+125℃)。

  • 直接驱动:FPGA全局时钟、高速SerDes接口(如25Gbps以太网)。


四、选型关键点
1. 无源晶振选型
参数选型规则示例
频率匹配MCU/芯片要求(如STM32F4常用8MHz/25MHz)25MHz无源晶振,负载电容20pF
负载电容(CL)按芯片数据手册要求匹配外部电容CL=20pF → C1=C2=2×(20pF - 5pF)=30pF
ESR(等效电阻)低ESR(≤80Ω)缩短起振时间选ESR=30Ω的ATS-25MX型号
封装根据PCB空间选择(如SMD3225、HC-49S)手机用2.0×1.6mm,工控用7.0×5.0mm
2. 有源晶振选型
参数选型规则示例
输出类型CMOS(3.3V)、LVDS(差分)、HCSL(高速)100MHz LVDS输出(如SiT9121)
频率稳定性按系统需求选择(如±10ppm工业级,±0.1ppm军工级)OCXO恒温晶振(如Rakon RSO-100)
电源电压匹配系统电源(1.8V/2.5V/3.3V/5V)3.3V供电的EPSON SG-8101
相位噪声高频场景需低相位噪声(如<-150dBc/Hz@1MHz)微波通信选Silicon Labs Si5345

五、设计注意事项
1. 无源晶振布局要点
  • 短走线:晶体靠近MCU引脚,走线长度<10mm。

  • 铺地隔离:晶体下方铺地,避免与高频信号线平行。

  • 电容匹配:C1/C2选用NP0/C0G材质,容差±5%。

2. 有源晶振设计要点
  • 电源滤波:电源引脚并联0.1μF+1μF电容,抑制噪声。

  • 阻抗匹配:高速输出(如LVDS)需控制差分阻抗(100Ω±10%)。

  • 散热管理:大功率OCXO需散热片或强制风冷。


六、总结与选型建议
  • 无源晶振

    • 适用场景:成本敏感、中低频(≤100MHz)、PCB空间受限。

    • 关键点:负载电容匹配、低ESR、抗振动设计。

  • 有源晶振

    • 适用场景:高频(≥100MHz)、高精度、复杂环境。

    • 关键点:频率稳定性、输出类型、电源噪声抑制。

设计箴言

“无源省钱靠外驱,有源省心自振宜;
高频高精选主动,低频省电被动齐。”


:具体选型需参考器件手册,并通过频谱分析仪验证相位噪声和抖动性能。

http://www.xdnf.cn/news/2226.html

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