原创 晶振、晶体、时钟概念详解

1。晶体（crystal），有的RD称其为晶振: 石英晶体,是无源的两个脚的，没有方向，需要IC或其它外部晶体振荡器输入，才产生频率，是无方向的。晶体还需要反向器, 负载电容(loading capacitor)才可组成振荡器.石英晶体元件由石英晶体片和外壳组成一种无源压电元件，俗称晶体、晶振，我国早期称晶体谐振器。由此可见正常石英晶 体元件（两脚），是无方向性的，但当一个引出端（引脚）与外壳相连导通时就有可能有方向性了。

crystal是一种机电器件，是用电损耗 很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给他通电，他就会产生机械振荡，反之，如果给他机械力，他又会产 生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常 小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。

-请问反向器, 负载电容(loading capacitor) 是做什么用的？？为什么要？

-形成正反馈啊，这样才能起振啊

谐 振器和钟振他们的却别在于谐振器是最简单的没有任何补偿的振荡器，而我们通常说的钟振是由一个谐振器加上ic组成一个回路而实现其自身的功能。以vcxo 为例：压控晶体振荡器（VCXO）是通过红外加控制电压使振荡效率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组 成，其工作原理是通过控制电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈调制 的目的。而决定如何选用也应该很清楚了吧？

2。钟振（oscillator），有的RD也称其为晶振，一般有四个脚，是有方向的，有电 源、地和时钟输出引脚，内部有晶体和振荡电路，不需要输入输入信号源，直接可产生频率。出厂时频率已校准。特点：应用方便、频率稳定、电磁辐射少。但价格 比晶体贵些。石英晶体振荡器简称晶振，一般是由石英晶体元件、IC和阻容及外壳组成有源功能组件，加电即可输出稳定频率信号。对晶振一般为4脚（引出 端），都有方向性，样本或说明书中有标注。

谐振器（Resonator）：在电路中等效作用是一个具有选频作用的网络，是振荡电路核心元 器件，决定了振荡器的频率稳定度（Frequency stability）种类有：石英晶体，陶瓷，LC，介质等材料的谐振器。石英晶体与放大电路配合如果行成正反馈，并且回路放大系数大于一则产生自激振荡 信号。这就是石英晶体器的基本原理。

选用-------根据你所用的IC的具体要求, 1) 只能用外部时钟, 则选钟振, 或用晶振+反相器+电容来组成振荡器, 按价钱和方便来取, 2)若可用外部时钟, 也可用晶振,那就用晶振, 3)若只能用晶振, 就选晶振

无源晶体与有源晶振的区别、应用范围及用法：
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。

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。


本 文介绍了一些足以表现出一个晶体振荡器性能高低的技术指标，了解这些指标的含义，将有助于通讯设计工程师顺利完成设计项目，同时也可以大大减少整机生产厂 家的采购成本。----总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大频差。----说明：总 频差包括频率温度稳定度、频率温度准确度、频率老化率、频率电源电压稳定度和频率负载稳定度共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他 频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如：精密制导雷达。----频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐 含基准温度的最大允许频偏。----fT=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
----fTref＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜,｜(fmin-fref)/fref｜]fT：频率温度稳定度(不带隐含基准温度)
----fTref：频率温度稳定度(带隐含基准温度)
----fmax：规定温度范围内测得的最高频率
----fmin：规定温度范围内测得的最低频率
----fref：规定基准温度测得的频率----说明：采用fTref指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用fT指标的晶体振荡器,故fTref指标 的晶体振荡器售价较高。----几种电子系统使用的晶体振荡器典型频率温度稳定度指标见下表:----表中有一部分频率温度稳定度指标应是带隐含基准温度 的频率温度稳定度指标，但没表示出来。(1ppm=1×10-6；1ppb=1×10-9)。----频率稳定预热时间：以晶体振荡器稳定输出频率为基 准，从加电到输出频率小于规定频率允差所需要的时间。----说明：在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和 关机，这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到（尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，当要求频率温度稳定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)， 采用OCXO作为本振，频率稳定预热时间将不少于5分钟，而采用DTCXO只需要十几秒钟)。----频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时， 振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，可用规定时限后的最大变化率（如±10ppb/天，加电 72小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））来表示。----说明：TCXO的频率老化率 为：±0.2ppm～±2ppm（第一年）和±1ppm～±5ppm（十年）（除特殊情况，TCXO很少采用每天频率老化率的指标，因为即使在实验室的条 件下，温度变化引起的频率变化也将大大超过温度补偿晶体振荡器每天的频率老化，因此这个指标失去了实际的意义）。OCXO的频率老化率 为：±0.5ppb～±10ppb/天（加电72小时后），±30ppb～±2ppm（第一年），±0.3ppm～±3ppm（十年）。----频率压控 范围：将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量。----说明：基准电压为＋2.5V，规定终点电压为＋0.5V 和＋4.5V，压控晶体振荡器在＋0.5V频率控制电压时频率改变量为-110ppm，在＋4.5V频率控制电压时频率改变量为＋130ppm，则 VCXO电压控制频率压控范围表示为：≥±100ppm(2.5V±2V)。压控频率响应范围：当调制频率变化时，峰值频偏与调制频率之间的关系。通常用 规定的调制频率比规定的调制基准频率低若干dB表示。----说明：VCXO频率压控范围频率响应为0～10kHz。----频率压控线性：与理想（直 线）函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。----说明：典型的VCXO频率压控线性 为：≤±10%，≤±20%。简单的VCXO频率压控线性计算方法为(当频率压控极性为正极性时)：----频率压控线性＝±((fmax- fmin)/f0)×100%
----fmax：VCXO在最大压控电压时的输出频率
----fmin：VCXO在最小压控电压时的输出频率
----f0：压控中心电压频率----单边带相位噪声￡(f)：偏离载波f处，一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。