【电子通用硬件】有源晶振和无源晶振的区别 & 无源晶振的负载电容(Load Capacitance)与频偏(Frequency Deviation)

晶振从材质可以分为石英晶振和陶瓷晶振两大类，而从属性晶振可以分为无源晶振：crystal（晶体）和有源晶振：oscillator（振荡器）。石英晶振和陶瓷晶振从外观上非常有利于区分，毕竟也是两种完全不一样的材质。而无源晶振和有源晶振有时候让人傻傻分不清楚。

1、无源晶振

无源晶振是的无极性元件，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。

(常见的为2个引脚，其实无源晶振也有4只脚的）

　　图 1 无源晶振

无源晶振信号质量较差，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也需要做相应的调整。一般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晶体。

图2 无源晶振应用电路

该电路不只是有一个晶振，还有两个电容，这两个电容有什么作用呢？

这两个电容一般称为“匹配电容”或者“负载电容”、“谐振电容”。晶振电路中加这两个电容是为了满足谐振条件。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。只有连接合适的电容才能满足晶振的起振要求，晶振才能正常工作。

负载电容的值的计算：

负载电容无法满足的话一般会使晶体频率产生偏差，严重的话晶体无法起振。电路设计中要尽量满足晶体的负载电容需求，从而使晶体工作在最佳状态。负载电容计算公式如下：

CL = C1*C2 / (C1+C2) + CS

CL为晶振的负载电容值，一般通过查询晶振的数据手册获得。CS为电路板的寄生电容，一般取 3~5pF，取C1 = C2，那么公式可以简化成如下：

CL = C1 / 2 + CS

一般情况下，增大负载电容的值会使振荡频率下降，减小负载电容的值，会使振荡频率上升。

们有时候还会看到如图3所示的晶振电路。

图3 不带并联电阻和带并联电阻的晶振电路

该电路中晶振上又并了一个电阻，这是为什么呢？

这个电阻实际上是反馈电阻，是为了方便晶振起振的。对于COMS而言，这个电阻的阻值可以是1M以上，对于TTL则是需要视情况而定。最好的办法是看看芯片的数据手册，确认芯片晶振电路内部是否有电阻，如果没有，电路设计时最好加上。

2、 有源晶振

有源晶振是一个完整的振荡器，不需要CPU提供支持（CPU的内部振荡器）。

其中除了石英晶体外，内部还有晶体管和阻容元件，因此体积较大，并且需要电源。

有源晶振的封装一般有4个引脚，分别为VCC（电压）、GND（地）、OUT（时钟信号输出）、NC（空脚）。

图4 有源晶振正面

 图5 有源晶振背面

以下是有源晶振常见的应用电路（主要做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可）。

图6 有源晶振应用电路

3、有源晶振和无源晶振的区别

1、有源晶振比较贵，但是有源晶振自身就能震动。而无论是无源晶振，还是有源晶振，都有自身的优点和缺点所在，若考虑产品成本，建议可以选择无源晶振电路；若考虑产品性能，建议选择有源晶振电路，省时方便也能保证产品性能。

2、无源晶振最高精度为5ppm，而有源晶振的精度则可以达到0.1ppm。精度越高，频率稳定性也更好。有源晶振在稳定性上要胜过无源晶振，但也有自身小小的缺陷，有源晶振的信号电平是固定，所以需要选择好合适输出电平，灵活性较差。

3、有源晶振一般4个脚，一个电源，一个接地，一个信号输出端，一个NC（空脚）。有个点标记的为1脚，按逆时针（管脚向下）分别为2、3、4。

4、无源晶振有2个引脚，需要借助于外部的时钟电路(接到主IC内部的震荡电路)才能产生振荡信号，自身无法振荡。

5、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。

 

扩展：

回答1：

1. 上面那副图是音叉晶体，因为主要用于钟表，俗称表晶。它也是石英谐振器家族中参数指标最低的一种晶体。

2. 下面那副图是一种常用的石英谐振器，其封装形式为HC-49S。但由于它体积较大，泛音特性不好，所以目前已有淘汰的趋势。

回答2：

参数：体积和频率不一样，上面的是2*6或3*8的可以做到的频率KHZ和MHZ的，下面的是HC-49S的可以做到最低的频率是3.579545M，因价格便宜（0.15-0.35元/PCS），目前中国市场上大多用的都是这两种晶振，这两种晶振一般都用于对频率要求不是很高的电子产品上的，现市场上有一种自带输出频率功能的IC，所以很多公司都采用这两种晶振搭配IC的。应用于这两种晶振的电子产品最常见的都有：U盘、学习机、主板、钟表、石英手表、电子表、网线延长器、模拟摄像机、数码照像机、工控设备等。

 

扩展：无源晶振的负载电容Load Capacitance与频偏Frequency Deviation

在无源晶振（石英晶体谐振器）电路应用中，我们期望获得稳定且精准的时钟信号，这取决于晶振的实际输出频率需要靠近中心频率。一般情况下，时钟信号的精准度及稳定度则主要由无源晶振本身精度及合适的外接电容所决定。

在做电路设计的时候，很多工程师不知道无源晶振的负载电容如何计算。在设计的时候，很多人都凭借的经验选择外接电容18PF、20PF或者22PF。这样的话，可能出现的问题是，无源晶振因没有在最佳外接电容的匹配之下工作，实际输出频率出现频偏问题。

无源晶振工作及应用原理分析如下：

无源晶振的两个引脚与芯片内部的反相器相连接，再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2，组成一个皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）。

U1为增益很大的反相放大器，CL1、CL2为匹配电容，是电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点，输入和输出是反相的，但从并联谐振回路即石英晶体两端来看，形成一个正反馈以保证电路持续振荡，它们会稍微影响振荡频率，主要用与微调频率和波形，并影响幅度。 X1是无源晶振，相当于三点式里面的电感，R1是反馈电阻（一般≥1MΩ），它使反相器在振荡初始时处于线性工作区，R2与匹配电容组成网络，提供180度相移，同时起到限制振荡幅度，防止反向器输出对无源晶振过驱动（over drive）将其损坏。

这里涉及到无源晶振的一个非常重要的参数，即负载电容CL（Load capacitance），它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容（不是晶振外接的匹配电容），主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻，与晶体一起决定振荡器电路的工作频率，通过调整负载电容，就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。

已知负载电容球匹配电容的公式如下所示：

CL=CS+(CD×CG)/(CD+CG )

其中，

• CS为无源晶振两个管脚间的寄生电容（Shunt Capacitance）；
• CD表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容，包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CO、外加匹配电容CL2，即CD=CPCB+CO+CL2；
• CG表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容，包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CI、外加匹配电容CL1，即CG=CPCB+CI+CL1。

一般CS为1pF左右，CI与CO一般为几个pF，具体可参考芯片或晶振的数据手册

 

（这里假设CS=0.8pF，CI=CO=5pF，CPCB=4pF， 取CL1=CL2, 则CD=CG）。

比如规格书上的负载电容值为18pF，则CD=CG=34.4pF，计算出来的匹配电容值CL1=CL2=25.4pF。

 

我们描述频偏的时候一般是以ppm作为单位来描述的，ppm是百万分之一的意思,也就是10^-6。假如我们有一颗标称频率为12MHz的晶振，但是我们测试到的却是11.99998MHZ。那么Foffset=12-11.99998=0.00002MHZ。

ppm=(0.00002/12)*10^6=1.67

 

 

参考资料：

1. 《有源晶振和无源晶振的区别》

2. 《单片机常用电路之晶振电路》https://www.elecfans.com/emb/danpianji/202208081873504.html