元器件經(jīng)驗(yàn)分享-晶體與晶振對(duì)比分析

華秋

對(duì)于電子工程師而言，晶體和晶振是電路中不可或缺的關(guān)鍵元件，尤其在涉及到時(shí)鐘信號(hào)和同步操作時(shí)。雖然兩者在功能上有著相似之處，但在實(shí)際應(yīng)用、電路設(shè)計(jì)以及布局布線(xiàn)等方面卻存在著顯著的區(qū)別。本文將詳細(xì)對(duì)比晶體和晶振的屬性、特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景，并為大家提供一些實(shí)用的布局和布線(xiàn)建議。

一、晶體與晶振的區(qū)別

對(duì)于許多初入職場(chǎng)的硬件工程師來(lái)說(shuō)，區(qū)分晶體（Crystal，簡(jiǎn)稱(chēng)XTAL）和晶振（Crystal Oscillator，簡(jiǎn)稱(chēng)XO）一直是個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。以下是它們之間的主要差異：

01名稱(chēng)差異

晶體，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為XTAL。

晶振，則被稱(chēng)為晶體振蕩器，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為XO。

02電源需求

晶體本身無(wú)法振蕩，需要依賴(lài)外部電路來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。使用晶體的芯片內(nèi)部通常都集成了振蕩電路。

晶振只需通電即可振蕩并輸出時(shí)鐘信號(hào)，因?yàn)槠鋬?nèi)部已經(jīng)集成了振蕩電路。有時(shí)，晶體被稱(chēng)作無(wú)源晶體，而晶振被稱(chēng)作有源晶體，這種稱(chēng)呼方式凸顯了兩者在電源需求上的差異。

03輸出方式

晶體沒(méi)有電源引腳，但有輸入和輸出兩個(gè)引腳。

晶振有電源引腳，但只有一個(gè)輸出引腳。

04焊接方向

晶體沒(méi)有方向性，可以正向或反向焊接，不影響使用。

晶振有方向，焊反則信號(hào)無(wú)法傳至芯片。芯片上的XTAL_IN和XTAL_OUT是為內(nèi)部振蕩電路而標(biāo)，與外部晶體無(wú)關(guān)。晶體無(wú)方向，正向、反向壓電效應(yīng)相同。晶振在芯片上通常只標(biāo)XTAL_IN或XTALCLOCK，只需連對(duì)應(yīng)芯片腳即可。

05引腳數(shù)量

兩個(gè)引腳的一定是晶體。晶體只需要一個(gè)薄片狀的水晶片即可振蕩。因此，一個(gè)水晶片的兩個(gè)引腳就是晶體的最少引腳數(shù)。小尺寸的晶體可能會(huì)帶有兩個(gè)地腳，用于將晶體的外殼接地屏蔽。

晶振至少有三個(gè)引腳，包括電源、地和時(shí)鐘輸出。如果再加上一個(gè)壓控腳，就是四個(gè)引腳了。

二、晶體與晶振的應(yīng)用場(chǎng)景有何不同？

1、晶體在電路中的應(yīng)用

當(dāng)考慮晶體在電路中的應(yīng)用時(shí)，其主要作用是提供一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)。這種信號(hào)對(duì)于同步和協(xié)調(diào)電子設(shè)備中的各種操作至關(guān)重要。

①、穩(wěn)定的時(shí)鐘源：晶體與芯片內(nèi)部的振蕩電路相結(jié)合，可以為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。這是大多數(shù)數(shù)字電路，特別是微處理器和存儲(chǔ)器，所必需的。

②、低成本解決方案：由于晶體本身只需外部連接，不需要復(fù)雜的供電或控制線(xiàn)路，這使得它成為一個(gè)低成本的時(shí)鐘解決方案。

③、緊湊電路設(shè)計(jì)：晶體通常很小，適合在緊湊的電路板設(shè)計(jì)中使用。

④、焊接無(wú)方向性：晶體沒(méi)有特定的焊接方向，這降低了焊接錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

2、晶振在電路中的應(yīng)用

晶振，與晶體相比，是一個(gè)更為完整的解決方案，因?yàn)樗鼉?nèi)部已經(jīng)包含了必要的振蕩電路。這使得它在某些應(yīng)用中更為方便。

（1）簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)：由于晶振內(nèi)部已經(jīng)有了振蕩電路，所以只需要為其提供電源，它就會(huì)輸出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。這簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)。

（2）高精度和高穩(wěn)定性：晶振通常能夠提供比基本的晶體更高的精度和穩(wěn)定性，特別是在寬溫度范圍內(nèi)。

（3）易于控制：對(duì)于需要頻率控制的應(yīng)用，如使用壓控振蕩器（VCXO）的場(chǎng)景，晶振可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

（4）適應(yīng)特定需求：對(duì)于需要寬溫度范圍或?qū)�精度要求高的�?yīng)用，如GPS模塊或高端處理器，溫補(bǔ)晶振（TCXO）可以確保系統(tǒng)在不同環(huán)境下都能正常工作。

三、晶體的布局布線(xiàn)指南

1、晶體布局：

優(yōu)先考慮緊湊布局，將元件優(yōu)先放置在TOP層，盡量靠近IC管腳。

為降低寄生電容，當(dāng)放置兩個(gè)電容時(shí)，應(yīng)確保分支長(zhǎng)度最小化。

2、晶體布線(xiàn)：

優(yōu)先選擇TOP層進(jìn)行布線(xiàn)。若需過(guò)孔，務(wù)必在附近設(shè)置回流過(guò)孔。

晶體信號(hào)線(xiàn)應(yīng)走線(xiàn)成類(lèi)差分形式。

加粗晶體信號(hào)線(xiàn)至8/10mil。

為減小寄生電容，通常將電容的地線(xiàn)扇出線(xiàn)寬加粗至18-22mil。

對(duì)時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)實(shí)施包地處理，確保其穩(wěn)定性。

在晶體附近設(shè)置屏蔽地過(guò)孔，以吸收和減少輻射噪聲。

• 晶體下方禁止其他信號(hào)穿越，確保無(wú)干擾。
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四、晶振的布局布線(xiàn)指南

1、晶振布局：

保持緊湊布局，優(yōu)先考慮在TOP層進(jìn)行布局。

將匹配電阻緊鄰晶振放置，以減小電阻與晶振之間的信號(hào)延遲。

對(duì)于晶振電源，采用π型濾波以提高電源質(zhì)量。在空間允許的情況下，濾波電容應(yīng)優(yōu)先放置在TOP層，并按照先大后小的順序放置，以確保良好的濾波效果。

2、晶振布線(xiàn)：

為避免干擾，晶振本體下方禁止走線(xiàn)。在布線(xiàn)密度較大的情況下，至少確保晶振本體經(jīng)過(guò)兩個(gè)平面層的屏蔽后方可走線(xiàn)，以維護(hù)信號(hào)完整性。

晶振輸出信號(hào)應(yīng)按照嚴(yán)格的50歐姆阻抗進(jìn)行走線(xiàn)。在換層處，務(wù)必打過(guò)回流地過(guò)孔，并與其他信號(hào)保持至少4W以上的間距，以減小串?dāng)_和電磁干擾。

• 在晶體附近設(shè)置屏蔽地過(guò)孔，以吸收和降低輻射噪聲，提高電路的穩(wěn)定性。
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五、晶體晶振的PCB可制造性檢查

在PCB布局和布線(xiàn)設(shè)計(jì)完成后，為確保順利制造并避免潛在的可制造性問(wèn)題，進(jìn)行可制造性檢查是至關(guān)重要的一步。特別是對(duì)于晶體和晶振的pcb設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)線(xiàn)寬、線(xiàn)距、孔距和孔徑大小進(jìn)行仔細(xì)檢查。此外，還要核實(shí)孔環(huán)是否足夠，以確保穩(wěn)定的電氣連接。

我們可以使用華秋DFM軟件對(duì)晶體和晶振的PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)檢查，包括最小線(xiàn)寬、線(xiàn)距，焊盤(pán)的大小以及是否漏引腳孔等多項(xiàng)工藝問(wèn)題，還可以提前預(yù)防是否存在可制造性問(wèn)題等。

結(jié)語(yǔ)：

希望通過(guò)本文的闡述，讀者們能夠?qū)�晶體和晶振有更清晰的認(rèn)識(shí)，理解它們?cè)陔娐分械闹匾�作用，以及在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，選擇合適的元件并進(jìn)行合理的布局和布線(xiàn)，是確保電路性能穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵步驟。希望大家在實(shí)踐中學(xué)以致用，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，為電子行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

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