元器件经验分享 - 晶体与晶振对比分析

对于电子工程师而言，晶体和晶振是电路中不可或缺的关键元件，尤其在涉及到时钟信号和同步操作时。虽然两者在功能上有着相似之处，但在实际应用、电路设计以及布局布线等方面却存在着显著的区别。本文将详细对比晶体和晶振的属性、特点及应用场景，并为大家提供一些实用的布局和布线建议。

一、晶体与晶振的区别

对于许多初入职场的硬件工程师来说，区分晶体（Crystal，简称 XTAL）和晶振（Crystal Oscillator，简称 XO）一直是个令人头疼的问题。以下是它们之间的主要差异：

01 名称差异

晶体，通常简称为 XTAL。

晶振，则被称为晶体振荡器，通常简称为 XO。

02 电源需求

晶体本身无法振荡，需要依赖外部电路来产生时钟信号。使用晶体的芯片内部通常都集成了振荡电路。

晶振只需通电即可振荡并输出时钟信号，因为其内部已经集成了振荡电路。有时，晶体被称作无源晶体，而晶振被称作有源晶体，这种称呼方式凸显了两者在电源需求上的差异。

03 输出方式

晶体没有电源引脚，但有输入和输出两个引脚。

晶振有电源引脚，但只有一个输出引脚。

04 焊接方向

晶体没有方向性，可以正向或反向焊接，不影响使用。

晶振有方向，焊反则信号无法传至芯片。芯片上的 XTAL_IN 和 XTAL_OUT 是为内部振荡电路而标，与外部晶体无关。晶体无方向，正向、反向压电效应相同。晶振在芯片上通常只标 XTAL_IN 或 XTALCLOCK，只需连对应芯片脚即可。

05 引脚数量

两个引脚的一定是晶体。晶体只需要一个薄片状的水晶片即可振荡。因此，一个水晶片的两个引脚就是晶体的最少引脚数。小尺寸的晶体可能会带有两个地脚，用于将晶体的外壳接地屏蔽。

晶振至少有三个引脚，包括电源、地和时钟输出。如果再加上一个压控脚，就是四个引脚了。

二、晶体与晶振的应用场景有何不同？

1、晶体在电路中的应用

当考虑晶体在电路中的应用时，其主要作用是提供一个稳定、准确的时钟信号。这种信号对于同步和协调电子设备中的各种操作至关重要。

①、稳定的时钟源：晶体与芯片内部的振荡电路相结合，可以为整个系统提供一个稳定的时钟信号。这是大多数数字电路，特别是微处理器和存储器，所必需的。

②、低成本解决方案：由于晶体本身只需外部连接，不需要复杂的供电或控制线路，这使得它成为一个低成本的时钟解决方案。

③、紧凑电路设计：晶体通常很小，适合在紧凑的电路板设计中使用。

④、焊接无方向性：晶体没有特定的焊接方向，这降低了焊接错误的风险。

2、晶振在电路中的应用

晶振，与晶体相比，是一个更为完整的解决方案，因为它内部已经包含了必要的振荡电路。这使得它在某些应用中更为方便。

（1）简化电路设计：由于晶振内部已经有了振荡电路，所以只需要为其提供电源，它就会输出一个时钟信号。这简化了电路板设计。

（2）高精度和高稳定性：晶振通常能够提供比基本的晶体更高的精度和稳定性，特别是在宽温度范围内。

（3）易于控制：对于需要频率控制的应用，如使用压控振荡器（VCXO）的场景，晶振可以提供一个简单的接口来实现这一点。

（4）适应特定需求：对于需要宽温度范围或对精度要求高的应用，如 GPS 模块或高端处理器，温补晶振（TCXO）可以确保系统在不同环境下都能正常工作。

三、晶体的布局布线指南

1、晶体布局：

优先考虑紧凑布局，将元件优先放置在 TOP 层，尽量靠近 IC 管脚。

为降低寄生电容，当放置两个电容时，应确保分支长度最小化。

2、晶体布线：

优先选择 TOP 层进行布线。若需过孔，务必在附近设置回流过孔。

晶体信号线应走线成类差分形式。

加粗晶体信号线至 8/10mil。

为减小寄生电容，通常将电容的地线扇出线宽加粗至 18-22mil。

对时钟信号线实施包地处理，确保其稳定性。

在晶体附近设置屏蔽地过孔，以吸收和减少辐射噪声。

• 晶体下方禁止其他信号穿越，确保无干扰。

四、晶振的布局布线指南

1、晶振布局：

保持紧凑布局，优先考虑在 TOP 层进行布局。

将匹配电阻紧邻晶振放置，以减小电阻与晶振之间的信号延迟。

对于晶振电源，采用π型滤波以提高电源质量。在空间允许的情况下，滤波电容应优先放置在 TOP 层，并按照先大后小的顺序放置，以确保良好的滤波效果。

2、晶振布线：

为避免干扰，晶振本体下方禁止走线。在布线密度较大的情况下，至少确保晶振本体经过两个平面层的屏蔽后方可走线，以维护信号完整性。

晶振输出信号应按照严格的 50 欧姆阻抗进行走线。在换层处，务必打过回流地过孔，并与其他信号保持至少 4W 以上的间距，以减小串扰和电磁干扰。

• 在晶体附近设置屏蔽地过孔，以吸收和降低辐射噪声，提高电路的稳定性。

五、晶体晶振的 PCB 可制造性检查

在 PCB 布局和布线设计完成后，为确保顺利制造并避免潜在的可制造性问题，进行可制造性检查是至关重要的一步。特别是对于晶体和晶振的 PCB 设计，应对线宽、线距、孔距和孔径大小进行仔细检查。此外，还要核实孔环是否足够，以确保稳定的电气连接。

我们可以使用华秋 DFM 软件对晶体和晶振的 PCB 设计进行详细检查，包括最小线宽、线距，焊盘的大小以及是否漏引脚孔等多项工艺问题，还可以提前预防是否存在可制造性问题等。

结语：

希望通过本文的阐述，读者们能够对晶体和晶振有更清晰的认识，理解它们在电路中的重要作用，以及在设计和应用时需要注意的关键点。对于工程师来说，选择合适的元件并进行合理的布局和布线，是确保电路性能稳定、可靠的关键步骤。希望大家在实践中学以致用，不断积累经验，为电子行业的发展贡献自己的力量。