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有源晶振和无源晶振哪个好?
utmel | 2023-05-30 10:06:31    阅读:14155   发布文章

  在晶体行业,我们称晶体为无源晶体,晶体振荡器我们叫有源晶体振荡器,无源晶体我们通常叫石英晶体谐振器,有源晶体振荡器我们叫石英晶体振荡器,这两种产品应用于电信设备和卫星等电子产品。设备产品,作为参考信号和卫星。更稳定的时间或频率控制。近年来,晶振终端技术在时钟模块、卫星通信、图像处理、****导航,尤其是时钟模块行业的应用发展迅速。

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 图1 有源晶振和无源晶振

  1.什么是有源晶振

  有源晶振(scillator)有4个引脚,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,只需要电源,就可输出比较好的波形。有源晶振的封装有4个引脚,分别为VCC(电压)、GND(地)、OUT(时钟信号输出)、NC(空脚)。有源晶振的流行点是直接连接石英晶片和时钟振荡器IC,通过晶振本身的电压控制可以达到理想的效果,可以与外部电容匹配,不会引起频率偏移。

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图2 有源晶振

  很多工程师在设计产品的过程中都会遇到这样的问题:一是电路中晶振的匹配不理想,影响使用效果;二是晶振温漂过大,甚至影响产品性能。

  如今,电子产品的更新换代尤为频繁。成本必须是制造商考虑的重要因素。晶体振荡器的应用也考虑了成本。因此,工程师在设计电路时,石英晶体振荡器(有源晶体振荡器)的价格比普通无源晶体高出5-10倍,从而导致更多。电路选用无源晶振;只有一些高端产品如工控、高速通讯产品偏爱有源晶振,所以出现上述常见问题。原因是无源晶振的效果不仅取决于晶振本身的指标,还取决于振荡器电路设计的匹配。

  有源晶振不用担心这个问题,因为很多无源晶振因为外接电容,无法匹配。有源晶振具有电压控制性能,可以通过内部IC晶圆自动匹配外部电容。第二点是晶振温漂过大,俗称温漂。这种现象是非常致命的。如果产品在正常工作状态下,突然因温度变化引起的频率漂移过大,则产品会严重停止工作而损坏。无源晶体本身就是一个晶体晶片,没有温度补偿的功能。有源晶振中有一个温度补偿晶振。

  有源晶振不需要CPU的内部振荡器,信号稳定,质量较好,而且连接方式比较简单(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),不需要复杂的配置电路。

  2.什么是无源晶振

  无源晶振一般指石英晶体谐振器,石英晶体谐振器(英文:quartz crystal unit或quartz crystal resonator,常被标识为Xtal,Extenal Crystal Osillator,外部晶振器,因为晶振单元常常作为电路外接),简称石英晶体或晶振,是利用石英晶体(又称水晶)的压电效应,用来产生高精度振荡频率的一种电子元件,属于被动元件。该元件主要由石英晶片、基座、外壳、银胶、银等成分组成。根据引线状况可分为直插(有引线)与表面贴装(无引线)两种类型。当前常见的主要封装型号有HC-49U、HC-49/S、GLASS、UM-1、UM-4、UM-5与SMD。

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图3 有源晶振电路图

  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。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。

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图4 无源晶振

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图5 无源晶振电路图

  3、有源晶振和无源晶振的区别

  3.1信号质量

  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。无源晶振需要用DSP片内的振荡器,无源晶振没有电压的问题,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,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。有源晶振通常的接法: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,需要选择好合适输出电平,灵活性较差,。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。

  3.2价格

  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。

  3.3精度

  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。

  3.4时序要求

  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。

  3.5外形

  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。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。

  3.6电压及负载

  有源晶振有电压无负载,无源晶振有负载无电压。

  4.关于有源晶振和无源晶振的常见问题

  4.1晶振是有源还是无源?

  无源晶体就是我们常说的谐振器,有源的是晶体振荡器,用来产生时钟信号,但两者有很大的不同。

  4.2如何识别晶体振荡器?

  定位晶体振荡器的位置。如果晶体振荡器在电路中,则需要对其进行定位。如果连接到电脑主板上,晶体振荡器通常会被标记为“XTAL”,并且振荡频率会写在设备顶部。

  4.3晶体和晶体振荡器有什么区别?

  晶体和振荡器都是时钟处理器的组成部分。振荡器配置有缓冲器,这意味着它能够执行高输出驱动任务,晶体只是振荡器的一部分。

  4.4可以用有源晶振替换无源晶振吗?

  理论上是可以的。但不能直接替代。有源晶振至少得有三个以上引脚,即vcc+、vcc-和信号输出。而无源晶振只要两个引脚就行。有源晶振不能直接替代无源晶振,需要对电路做适当的改动。事实上,有源晶振是无源晶振的基础上做的振荡器,而无源晶振只是一个小元件。在电路中,你需要将无源晶振的振荡电路绕开,单独为有源晶振代供电,将信号输出端接至原来无源晶振的信号输出端即可。最后要注意一点:信号输出端的负载阻抗要匹配,否则,会有输出波形不良。

  结语

  以上就是关于有源晶振和无源晶振的分析了,晶振的稳定性是产品的内在品质,与匹配电容无关(电容的稳定性不好另当别论),匹配电容决定了晶振的运行精度。相信看过本文介绍之后你可以对晶振做出更好的选择。

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