10年老司机倾囊相授，晶振与晶体区别及其PCB layout需要注意哪些？

10年老司机倾囊相授，晶振与晶体区别及其PCB layout需要注意哪些？

先来看一下晶体和晶振的区别

晶体，英文Crystal，电路上一般会简写为XTAL，需要外加时钟电路才能输出时钟信号，所以一般叫无源晶振，也叫谐振器。

晶体一般是2脚或者4脚，2脚最常见，晶体无极性。

晶振，英文Crystal oscillator，电路上一般简写为XO，只需要供电就可以输出时钟信号，所以一般叫有源晶振，也叫振荡器。

晶振一般是4脚，1个VCC，2个GND，1个Output。

我们再看一下晶振的分类

Package石英振荡器，英文SPXO：不施以温度控制及温度补偿的石英振荡器。频率温度特性依靠石英振荡晶体本身的稳定性。

温度补偿石英振荡器，英文TCXO：附加温度补偿回路，减少其频率因周围温度变动而变化之石英振荡器。

电压控制石英振荡器，英文VCXO：控制外来的电压，使输出频率能够变化或调变的石英振荡器。

恒温槽式石英振荡器，英文OCXO：以恒温槽保持石英振荡器或石英振荡晶体在一定温度，控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器。

可以看到，不管是VCXO还是TCXO，内部都带有电路进行补偿，所以价格上会比晶体贵，质量和准确度也会比晶体高不少，比如GPS上一般会选用TCXO。

下面看一下晶振最重要的几个参数

标称频率（Normal Frequency）：晶振的标准频率，如26MHz、32.768KHz等。

频率误差（Frequency Tolerance）或频率稳定度（Frequency Stability）：用单位ppm来表示，即百万分之一，是相对标称频率的变化量，此值越小表示精度越高，1MHz的晶振，1个PPM就是1Hz的偏差。

温度频差（Frequency Stability vs Temp）：表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离，它的单位也是ppm。

负载电容CL：负载电容是指晶振正常工作震荡所需要的电容。为使晶体能够正常工作，需要在晶体两端外接电容，来匹配达到晶体的负载电容。

那负载电容如何确定呢？

计算公式：CL=C1*C2/(C1+C2)+Cic+△C

C1和C2为晶振两脚对地电容，称为匹配电容。

Cic为集成电路内部电容，△C为PCB板上电容，一般大小为3~5pF。

匹配电容一般取C1=C2=2CL，这样并联起来就接近负载电容CL了，在一般情况下，增大负载电容会使振荡频率下降，而减小负载电容会使振荡频率升高。

如果crystal所接的IC内部有负载电容，那外部的C1和C2就不需要了。

一般IC的数据手册中会给出负载电容的大小。

10年老司机倾囊相授，贴片晶振的PCB layout需要注意哪些？

晶振有两个比较重要的参数，频偏和温偏，单位都是PPM，通俗说，晶振的标称频率不是一直稳定的，某些环境下晶振频率会有误差，误差越大，电路稳定性越差，甚至电路无**常工作。

所以在PCB设计时，晶振的layout显得尤其的重要，有如下几点需要注意。

✔ 两个匹配电容尽量靠近晶振摆放。

✔ 晶振由石英晶体构成，容易受外力撞击或跌落的影响，所以在布局时，最好不要放在PCB边缘，尽量靠近芯片摆放。

✔ 晶振的走线需要用GND保护好，并且远离敏感信号如RF、CLK信号以及高速信号。

✔ 在一些晶振的PCB设计中，相邻层挖空（净空）或者同一层和相邻层均净空处理，第三层需要有完整的地平面，这么做的原因是维持负载电容的恒定。

晶振负载电容的计算公式是：

CL=C1*C2/(C1+C2)+Cic+Cp

Cic为集成电路内部电容，Cp为PCB板的寄生电容，寄生电容过大，将会导致负载电容偏大，从而引起晶振频偏，这个时候减小匹配电容C1和C2可能会有所改善，但这也是治标不治本的措施。

晶振相邻层挖空是如何控制寄生电容Cp的呢？

电容的物理公式是：C=εS/4πKd，即晶振焊盘与邻近地平面之间的面积S和距离d均会影响寄生电容大小，因为面积S是不变的，所以影响寄生电容的因素只剩下距离d，通过挖空晶振同一层的地和相邻层的地，可以增大晶振焊盘与地平面之间的距离，来达到减小寄生电容的效果。

简单画了一个图示，如下一个4层板，晶振放在Top层，将Top层和相邻层净空之后，晶振相对于地平面（L3），相比较没有净空之前，这个距离d是增大的，即寄生电容会减小。

✔ 晶振的摆放需要远离热源，因为高温也会影响晶振频偏。

我们知道晶振附近相邻地挖空处理，一方面是为了维持负载电容恒定，另一方面很大原因是隔绝热传导，避免周围的PMIC或者其他发热体的热透过铜皮传导到晶振，导致频偏，故意净空不铺铜，以隔绝热的传递。

为什么温度会影响晶振频率呢？

当晶振加热或者降低到某个温度后再降到常温，与最初在常温下测试通常情况下会有一定变化，这是因为晶体的热滞后现象，带温度补偿的TCXO相对来说精度会好不少，可以有效解决晶体温漂，但一般TCXO都是M以上级别较多，KHz的很少，受限于生产工艺。

今天的文章内容到这里就结束了，希望对你有帮助，我们下一期见。