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有源晶振和无源晶振的区别

来源:网络转载日期:2017年08月09日 浏览:1557 关键词:谐振有源无源晶振
无源晶振与有源晶振的英文名称不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。 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。

晶振主要是为电路提供频率基准的元器件。

   

有源晶振无源晶振区别   

1、无源晶振与有源晶振的英文名称不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。   

2、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 3.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。


    有源晶振是右石英晶体组成的,石英晶片之所以能当为振荡器使用,是基于它的压电效应:在晶片的两个极上加一电场,会使晶体产生机械变形;在石英晶片上加上交变电压,晶体就会产生机械振动,同时机械变形振动又会产生交变电场,虽然这种交变电场的电压极其微弱,但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为“压电谐振”。 主要看你应用到的电路,如果有时钟电路,就用无源,否则就用有源。 

    无源晶体需要用DSP片内的振荡器,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,无源的要和其他元件才能组成正常的振荡电路,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   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,  可以用万用表测量晶振两个引脚电压是否是芯片工作电压的一半,比如工作电压是5V则是否是2.5V左右。另外如果用镊子碰晶体另外一个脚,这个电压有明显变化,证明是起振了的 。


晶体的谐振模式

    晶体具有两种谐振模式:串联(两个频率中的低频率)和并联(反谐振,两个频率中的高频率)。所有在振荡电路中呈现纯阻性时的晶体都表现出两种谐振模式。在串联谐振模式中,动态电容的容抗Cm、感抗Lm相等且极性相反,阻抗最小。在反谐振点。阻抗却是最大的,电流是最小的。在振荡器应用中不使用反谐振点。   

    通过添加外部元件(通常是电容),石英晶体可振荡在串联与反谐振频率之间的任何频率上。在晶体工业中,这就是并联频率或者并联模式。这个频率高于串联谐振频率低于晶体真正的并联谐振频率(反谐振点)。

    在使用并联谐振模式时负载电容是晶体一个重要的指标。在该模式当中,晶体的总电抗呈现感性,与振荡器的负载电容并联,形成了LC谐振回路,决定了振荡器的频率。当负载电容值改变后,输出频率也随之改变。因而,晶体的生产商必须知道振荡器电路中的负载电容,这样可以在工厂中使用同样的负载电容来校准。   如果使用谐振在不同的负载电容上的晶体,那么晶体频率将偏离额定的工作频率,这样参考频率将引入误差。因而,需要添加外部电容,改变负载电容,使晶体重新振荡到需要的工作频率上。   


晶振上的电阻   

    晶振输入输出连接的电阻作用是产生负反馈,保证放大器工作在高增益的线性区,一般在M欧级,输出端的电阻与负载电容组成网络,提供180度相移,同时起到限流的作用,防止反向器输出对晶振过驱动,损坏晶振。   和晶振串联的电阻常用来预防晶振被过分驱动。晶振过分驱动的后果是将逐渐损耗减少晶振的接触电镀,这将引起频率的上升,并导致晶振的早期失效,又可以讲drive level调整用。用来调整drive level和发振余裕度。

    Xin和Xout的内部一般是一个施密特反相器,反相器是不能驱动晶体震荡的.因此,在反相器的两端并联一个电阻,由电阻完成将输出的信号反向 180度反馈到输入端形成负反馈,构成负反馈放大电路.晶体并在电阻上,电阻与晶体的等效阻抗是并联关系,自己想一下是电阻大还是电阻小对晶体的阻抗影响小大?   电阻的作用是将电路内部的反向器加一个反馈回路,形成放大器,当晶体并在其中会使反馈回路的交流等效按照晶体频率谐振,由于晶体的Q值非常高,因此电阻在很大的范围变化都不会影响输出频率。过去,曾经试验此电路的稳定性时,试过从100K~20M都可以正常起振,但会影响脉宽比的。   

    晶体的Q值非常高, Q值是什么意思呢? 晶体的串联等效阻抗是 Ze = Re + jXe, Re<< |jXe|, 晶体一般等效于一个Q很高很高的电感,相当于电感的导线电阻很小很小。Q一般达到10^-4量级。 避免信号太强打坏晶体的。电阻一般比较大,一般是几百K。   

    串进去的电阻是用来限制振荡幅度的,并进去的两颗电容根据LZ的晶振为几十MHZ一般是在20~30P左右,主要用与微调频率和波形,并影响幅度,并进去的电阻就要看 IC   spec了,有的是用来反馈的,有的是为过EMI的对策   可是转化为 并联等效阻抗后,Re越小,Rp就越大,这是有现成的公式的。晶体的等效Rp很大很大。外面并的电阻是并到这个Rp上的,于是,降低了Rp值 -----> 增大了Re -----> 降低了Q   精确的分析还可以知道,对频率也会有很小很小的影响。  


负载电容  

    晶振的标称值在测试时有一个“负载电容”的条件,在工作时满足这个条件,振荡频率才与标称值一致。一般来讲,有低负载电容(串联谐振晶体),高负载电容(并联谐振晶体)之分。在电路上的特征为:晶振串一只电容跨接在IC两只脚上的,则为串联谐振型;一只脚接IC,一只脚接地的,则为并联型。如确实没有原型号,需要代用的可采取串联谐振型电路上的电容再并一个电容,并联谐振电路上串一只电容的措施。例如:4.433MHz晶振,并一只3300PF电容或串一只70P的微调电容。   

    常见的晶振大多是二只脚,3脚的晶振是一种集晶振和电容为一体的复合元件。由于在集成电路振荡端子外围电路中总是以一个晶振(或其它谐振元件)和两个电容组成回路,为便于简化电路及工艺,人们便研制生产了这种复合件。其3个引脚中,中间的1个脚通常是2 个电容连接一起的公共端,另外2个引脚即为晶振两端,也是两个电容各自与晶振连接的两端。由此可见,这种复合件可用一个同频率晶振和两个 100~200pF的瓷片电容按常规连接后直接予以代换。

    单片机晶振旁的2个电容是晶体的匹配电容,只有在外部所接电容为匹配电容的情况下,振荡频率才能保证在标称频率附近的误差范围内。   最好按照所提供的数据来,如果没有,一般是30pF左右。太小了不容易起振。在某些情况下,也可以通过调整这两个电容的大小来微调振荡频率,当然可调范围一般在10ppm量级。   

    晶振等效于电感/电容/内阻    注:晶振的稳定性是产品的内在品质,与匹配电容无关(当然电容的稳定性不好是另一个问题)。匹配电容决定了晶振的运行精度。在晶振的产品参数中,有一项是负载电容CL,匹配电容的选择与它有关。例如你选的两个匹配电容都是20p,电路衍生电容为2.5p,则有CL=20×20/(20+20)+2.5=12.5p。你应选CL为12.5p的晶振。 

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。


    单片机上的晶振和电容   晶振边上的两个电容是旁路电容,作用就是为了减少电磁干扰的,要使他们尽量靠近单片机。


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