晶体(crystal)和晶振(oscillator)的区别
1. 晶振与晶体的区别
1) 晶振是有源晶振的简称，又叫振荡器。英文名称是oscillator。晶体则是无源晶振的简称，也叫谐振器。英文名称是crystal.
2) 无源晶振(晶体)一般是直插两个脚的无极性元件，需要借助时钟电路才能产生振荡信号。常见的有49U、49S封装。
3) 有源晶振(晶振)一般是表贴四个脚的封装，内部有时钟电路，只需供电便可产生振荡信号。一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式。
2. MEMS硅晶振与石英晶振区别
MEMS硅晶振采用硅为原材料，采用先进的半导体工艺制造而成。因此在高性能与低成本方面，有明显于石英的优势，具体表现在以下方面：
1) 全自动化半导体工艺(芯片级)，无气密性问题，永不停振。
2) 内部包含温补电路，无温漂，-40—85℃全温保证。
3) 平均无故障工作时间5亿小时。
4) 抗震性能25倍于石英振荡器。
5) 支持1-800MHZ任一频点，精确致小数点后5位输出。
6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多种工作电压匹配。
7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各种精度匹配。
8) 支持7050、5032、3225、2520所有标准尺寸封装。
9) 标准四脚、六脚封装，无需任何设计改动，直接替代石英振荡器。
10) 支持差分输出、单端输出、压控(VCXO)、温补(TCXO)等产品种类。
11) 300%的市场增长率，三年内有望替代80%以上的石英振荡器市场。
晶振，大家并不陌生。他是名副其实的电路的“心脏”，我们的处理器、存储、模数转换等芯片，都依赖于其输出的精准时钟源信号而工作。
长久以来，我们习惯于石英晶振。也同时承受着石英晶振的温漂、品质不统一、抗震性差、交货周期长等问题。而这一切，我们需要从石英的生产制程上说明。我们先把石英晶振剖开来看一看。
大体上石英晶振分为上盖、基座、导电胶、晶片，如果是有源的话，还需要一颗起振IC。而这里面石英工厂要做的只是切割石英晶片，购买上盖、基座、导电胶、起振IC，然后组装在一起。
整个过程包括切割、打磨、镀银、组装、测试等，大概需要23步流程，其中包括关键的开盖组装部分，存在高污染的可能。复杂的流程工艺，而且存在大量的人工参与，所以石英晶振的不良率（DPPM）在百万分之50-150之间（此数字SiTime MEMS硅晶振小于百万分之0.1）。
下面我们来讲一下石英切割。石英晶片的切割与频点是一一对应的关系，也就是说不同的频点，对应的石英晶片的大小、厚薄都是不一样的。而且采用不同的切割方式，石英晶片所表现出的高低温特性是不一样的。比如常用的AT切，可提供相对较好的温度特性，但对机械应力较为敏感（如下图为AT切石英晶片温度特性）。
采用AT切，温度在+27度以上、-10度以下会产生比较大的漂移。这也是为什么石英晶振都会有温漂这个参数。而MEMS硅晶振则在全温范围内无温漂问题。
综上，石英晶振最早产生于1920年代，近百年的发展历史，但依然存在如下问题：
1、温漂（高低温与常温频率特性漂移）
2、品质不一致（半自动化半人工生产，品质与管理有最直接的关系）
3、抗震性差
4、生产周期长，紧急交付不灵活
MEMS 硅晶振正是在此条件下而生。半导体发展到今天，微电子技术已经得到了长足的发展。而晶振则是需要机械震动体，（石英晶振之初也是因为其压电效应的机械震动频率稳定性优于RC振荡），所以MEMS技术（微机电技术）的发展也孕育了MEMS硅晶振的半导体化。
MEMS硅晶振的核心一个是MEMS谐振子技术，直白些说就是以硅（Si）为原材料，采用MEMS工艺的一个微机械振动结构，可以产生稳定的振动频率。
还有一个是CMOS晶圆，半导体技术。对频率进行保持、编程、驱动、补偿等，以确保得到我们想要的1-725MHZ且精确到小数点后面6位的任一频点。
其工艺采用标准的半导体生产工艺，采用德国BOSCH的MEMS Wafer及台湾TSMC的CMOS Wafer, 封测在台湾ASE及马来西亚的Carsem。
最后值得一提的是，SiTime 产品可通过专用的编程设备对CMOS内部的PLL进行编程.SiTime中国区样品中心通过备全系列空白片库存，可24小时内提供符合客户需求的时钟产品，并可支持研发前期的小批量试产供货。
由单片机XTALIN引脚和XTALOUT引脚导出的对晶体震荡电路的深入理解
在单片机使用过程中第一步就是选择单片机的时钟源;常常可以看到如下的电路原理图：
此原理图中使用晶振连接到XTALIN引脚和XTALOUT引脚;给单片机提供时钟频率;下面就来详细分析一下这种电路的工作原理。
单片机的时钟来源一般有以下几种;
1、通过单片机的CLKIN引脚由外部时钟源直接给单片机输入一个方波时钟。
2、像上图所示那样由外部晶振连接单片机的XTALIN引脚和XTALOUT引脚;跟单片机内部的震荡电路一起组成一个时钟源;通常这种时钟源叫做crystal oscillator (SysOsc);这种时钟源的精度可以到达很高一般用ppm来表示外部晶振的误差。这种振荡器由外部晶振决定频率;振荡器的最大特点就是频率稳定度高。凡是频率的精度和稳定度要求较高的系统都采用石英晶体振荡器;如电子表、计算机的主时钟、高精密度的信号产生器、所有通信系统的主振荡源等
3、internal RC Oscillator (IRC)内部时钟源;通常是一个固定的频率;比如12M;这种时钟的精度可以达到±1.5%。当通信速率比较高的时候;比如串口用115200的波特率进行通信;这时候如果IRC时钟通信就会出现误码;当把通信速率降低;比如2400波特率的时候就能通信正常;所以在高速通信的时候还是需要用到上面第2种时钟源。
4、单片机的专用时钟源，比如dedicated Watchdog Oscillator (WDOsc)专用于看门狗电路的时钟;用于单片机唤醒的定时器的时钟;internal low-power, low-frequency Oscillato;这种时钟源的精度不高;通常只有±40%的精度。
下图是一个单片机NXP824的时钟资源：
将内部IRC时钟通过切换矩阵SWM 切换到输出pin脚CLKOUT，通过示波器可以看到如下的波形，显示IRC时钟位12M。
void CLKOutInit (void)
{
LPC_SWM->PINASSIGN[11]= (LPC_SWM->PINASSIGN[11] &(~(0xFF << 16))) | (CLKOUT <<16); /* 分配CLKOUT到管脚P0_7 */
/*
* CLKOUTSEL配置
* >bit[1:0] 0x0 IRC oscillator 0x1 Crystal oscillator(SYSOSC)
* 0x2 WDT oscillator 0x3 Main Clock
* >bit[31:2] Reserved
*/
LPC_SYSCON->CLKOUTSEL=3; /* CLKOUT源选择:MAINCLK */
LPC_SYSCON->CLKOUTUEN= 1; /* 更新CLKOUT时钟源 */
while (!(LPC_SYSCON->CLKOUTUEN & 0x01));
LPC_SYSCON->CLKOUTDIV = 24; /* CLKOUT输出分配系数:24 */
}
由上可知单片机的时钟源都是由震荡器产生的;下面从网络上收集并整理的资料;主要是加深对震荡电路的理解。
一般晶振分为两种：有源晶振、无源晶振。有源晶振也叫晶体振荡器;Oscillator;无源晶振有时也叫无源晶体；Crystal;晶体谐振器。至于哪个名字更专业、更准确;我觉得无需争论名字只是代号而已；大家工作中沟通能知道说的是什么就行。简单来说;有源晶振自己供上电就能输出振荡信号;无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。无源晶振=晶体=谐振器=crystal;有源晶振=晶振=振荡器=oscillator。
以上分类是从使用角度来说的;如果我们单看晶振的内部构造;就会发现有源晶振内部是包含了一个无源晶振;然后再将阻容、放大等电路也包含进去;整体封装好再给我们用。 有源晶振内部构造包含了无源晶振;所以一般来说;有源晶振比无源晶振要贵。另一方面;我们只要了解了无源晶振的特性;有源晶振也就差不多了。毕竟;有源晶振可以看成是无源晶振做成的一个具体电路;供上电就能输出振荡信号了。所以;下面我们就只看无源晶振;晶体谐振器。如上图所示LFXIN和LFXOUT内部电路有一个反向器;在上电的瞬间就在外部晶振上施加反向电压;反向电压就会使晶体产生逆压电效应;晶振就可以起振了。
首先;晶体谐振器里面的晶体指的是石英晶体;化学式是二氧化硅SiO2。石英的特点是：热膨胀系数小、Q值高、绝缘等。石英可以做成晶体谐振器;主要是利用了压电效应。压电效应又分为正压电效应和逆压电效应;以下是百度百科对其的定义:
意思对应下图：
晶体的构造示意图如下：
上图左边是晶体构造的示意图;右边是我们常见的晶振的符号;二者是不是很像？根据对前面压电效应的理解;晶体可以将电能转化为机械能;然后机械能又能转化为电能。如果给晶体通上交流电;那不就是一会儿收缩;一会儿膨胀;这不就是机械振动吗？我们知道;机械振动的物理尺寸和结构固定之后;它本身一般就有一个固有的振动频率。当外加信号的频率与固有振动频率相等时;就会发生共振;产生谐振现象。显然;晶振的频率;应该说的就是这个固有振荡频率。再从无源晶体也叫“晶体谐振器”;此处的“谐振”应该就是这个意思吧。除此之外;既然工作原理是机械振动;那么性能自然跟晶体的尺寸和结构有着非常大的关系。这方面我也查了一下;确实如此。
晶振频率与切片厚度;切割工艺的关系:切割工艺;就是对晶体坐标轴某种角度去切割。切型有非常多的种类;因为石英是各向异性的;所以不同的切型其物理性质不同。切面的方向与主轴的夹角对其性能有着非常重要的影响;比如频率稳定性、Q值、温度性能等。
常见的切割类型有两种：AT和BT切。同种频率的晶振;AT切比BT切的温度系数要小;切片厚度要薄;但是Q值比BT切要低。下面是晶体频率同切片厚度、切割类型的关系：
一般晶振手册中也会给出切割类型;不知道大家有没有关注过这个参数呢：
晶体振荡器设计原理
1.1、 振荡器的分类
1.1、 振荡产生的原理
1.2.1、自激振荡的产生
1.2.2、产生振荡的条件
1.3、起振和振幅
1.3.1、起振过程
1.3.2、振幅的稳定
一般接crystal内部的芯片电路;原理上就是一个非门电路;非门在微观电路上可以看成一个增益个别大的放大器;接一个电阻;你可以看作是反馈电阻;它的作用是让震荡器更加稳定的工作。
这个电阻是为了使本来为逻辑反相器的器件工作在线性区, 以获得增益, 在饱和区是没有增益的, 而没有增益是无法振荡的. 如果用芯片中的反相器来作振荡, 必须外接这个电阻, 对于CMOS而言可以是1M以上, 对于TTL则比较复杂, 视不同类型(S,LS...)而定. 如果是芯片指定的晶振引脚, 如在某些微处理器中, 常常可以不加, 因为芯片内部已经制作了, 要仔细阅读DATA SHEET的有关说明。
晶振旁的电阻
（并联与串联）
一个晶振电路在其输出端串接了一个22K的电阻;在其输出端和输入端之间接了一个10M的电阻;这是由于连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器;将输入进行反向180度输出;晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移;整个环路的相移360度;满足振荡的相位条件;同时还要求闭环增益大于等于1;晶体才正常工作。
晶振输入输出并上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.。
并联M级电阻作用
1.配合IC内部电路组成负反馈;移相;使放大器工作在线性区。
2.降低谐振阻抗;使谐振器易启动。
3.电阻取值从100k-20M都可以正常起振;但会影响脉宽比。
串联K级电阻作用
1.和晶振串联的电阻常用来预防晶振过驱;限制振荡幅度。
并联在晶振上的两颗电容一般取值为20-30pf左右;主要用于微调频率和波形;并影响幅度。
