来源:电子工程专辑

一、有源晶振与无源晶振的比较
无源晶振:就是一个晶体,本身不能振荡,依靠配合其他IC内部振荡电路工作。
有源晶振:晶体+振荡电路,封装在一起。给他供上电源,就有波形输出。

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。

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。

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 ... ...

1、有源晶振与无源晶振的区别
无源晶振为crystal(晶体)无源晶振是有2个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来; 有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。有源晶振有4只引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件,因此体积较大。

2、无源晶振和有源晶振的优缺点  
    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。

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。  

二、有源晶振的管脚
无源晶振两个管脚可以任意。 有源晶振根据封装不同,管教排列不同(打点的为“1脚”,逆时钟看)

有个点标记的为1脚,按逆时针(管脚向下)分别为2、3、4。

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。 方形有源晶振引脚分布:

1、正方的,使用DIP-8封装,打点的是1脚。
1-NC; 4-GND; 5-Output; 8-VCC

2、长方的,使用DIP-14封装,打点的是1脚。
1-NC; 7-GND; 8-Output; 14-VCC 

BTW:
1、电源有两种,一种是TTL,只能用5V,一种是HC的,可以3.3V/5V
2、边沿有一个是尖角,三个圆角,尖角的是一脚,和打点一致。
Vcc      out
NC(点)    GND  

三、有源晶振内部结构

可以看到有源晶振 = 普通晶振 + 逻辑电路  

四、有源晶振的输出波形
  无源晶振输出正弦波。 有源晶振输出正弦波或方波。

如果有源晶振把整形电路做在有源晶振里面了的话,输出就是方波,但很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波,这是由于示波器的带宽不够,好像有源晶振20MHz,如果用40MHz或60MHz的示波器测量,显示的是正弦波,这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加,带宽不够的话,就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波,所以显示正弦波。完美的再现方波需要至少10倍的带宽,5倍的带宽只能算是勉强,所以需要至少100M的示波器。    五、有源晶振的典型电路

如上图,为有源晶振EMC标准设计电路,如果对EMC要求不高,可以去掉L1,及C1。只保留电源输入端的去耦电容,取0.1uf即可,输出端保留输出电阻,约10到27欧姆。

说明: 1.电源端磁珠L1与电容C2,C3构成lc滤波电路。
2.关于输出端串联的电阻的作用。

串电阻是为了减小反射波,避免反射波叠加引起过冲。有时,不同批次的板子特性不一样,留个电阻位置便于调整板子状态到最佳。如无必要串电阻,就用0欧电阻连接。

具体作用如下:

1、可以减少谐波,有源晶体输出的是方波,这将引起谐波干扰,尤其是阻抗严重不匹配的情况下,加上电阻后,该电阻将与输入电容构成RC积分平滑电路,将方波转换为近似正弦波,虽然信号的完整性受到一定影响,但由于该信号还要经过后级放大、整形后才作为时钟信号,因此,性能并不受影响,该电阻的大小需要根据输入端的阻抗、输入等效电容,有源晶体的输出阻抗等因素选择。
  2、可以进行阻抗匹配,减小回波干扰及导致的信号过冲。我们知道,只要阻抗不匹配,都会产生信号反射,即回波,有源晶体的输出阻抗通常都很低,一般在几百欧以下,而信号源的输入端在芯片内部结构上通常是运放的输入端,由芯片的内部电路与外部的无源石英晶体构成谐振电路(使用有源晶体后就不需要这个晶体了),这个运放的输出阻抗都在兆欧以上。

一般这个输出电阻可以串27欧姆左右。