crystal晶体与osilator晶振的区别与使用

问题描述：MCU, MPU，CPU的使用都离不开晶振的问题，因为PLL要用到，晶振相当于MCU的心跳吧。之前也遇到过不同的晶振的使用情况，MCU最小系统一般都会要求外接一个晶振，不把晶振直接做到IC内部，应当是晶振占用的空间大而且干扰强的因素吧。不过Silicon Lab公司的C8051Fxxx的芯片是将晶振做在了内部的，因此都不需要外接晶振，设计好电源管理电路后最小系统就能跑起来了。

一些情况：晶振其实有许多的种类，以前的8位MCU如STC89C51一般用一个12M晶振，然后加上两个约30pF的电容连接到IC的XTAL1&XTAL2引脚就行。也有32.768K的圆柱晶振用于RTC的，还有四个引脚的晶振，有电源引脚、地引脚，然后用一个引脚输出振荡到IC。鉴于此，从网上搜罗一些资料对晶振这个非常重要的原件进行进一步的了解和学习。

大体分类：无源晶振和有源晶振两种类型。

    无源晶振----crystal（晶体），需借助时钟电路才能产生振荡信号，一般连两个引脚的；

    有源晶振----oscillator（振荡器）。一个完整的谐振振荡器，谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振器，LC谐振器等。

晶振原理：石英晶片能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）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，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。其特点是频率稳定度很高。（看来是用到了共振的原理，感觉有点迂回，让交变电场产生机械振动，再由机械振动来产生交变电场进行使用，为何不直接使用原始的交变电场？原因应当是原始的交变电场可能并不够稳定，在一定范围内频率会变动，而由晶体共振产生的交变电场应当就很稳定了，克服了频率变动的问题，稳定的频率对于IC正常工作来讲是非常重要的）。

详细分类比较：

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晶体。

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。

一些注意事项：

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。

5、此外还要做一些说明：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

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