在電子系統設計中，晶振是至關重要的組件，為系統提供穩定的時鐘信號。晶振主要分為無源晶振和有源晶振兩大類，它們在參數上存在明顯差異，這些差異對系統設計有著不同的影響。本文將詳細對比兩者的參數差異，并分析其在系統設計中的應用。

一、基本概念

（一）無源晶振

無源晶振，即晶體諧振器，英文名為Crystal，它本身不包含振蕩電路，需要借助外部的時鐘電路（如單片機內部的振蕩電路或外部的放大電路）來起振，產生振蕩信號。無源晶振主要由石英晶體、電極和封裝組成，通過石英晶體的壓電效應實現頻率的穩定輸出。

（二）有源晶振

有源晶振，即晶體振蕩器，英文名為Oscillator，它內部集成了振蕩電路、放大電路和整形電路等，無需外部提供振蕩電路，自身可以直接輸出穩定的時鐘信號。有源晶振通常需要外部電源供電，以驅動內部電路工作。

二、參數差異對比

（一）頻率范圍

無源晶振的頻率范圍相對較窄，一般在幾kHz到幾百MHz之間，具體取決于晶體的物理特性和外部電路的設計。例如，常見的無源晶振頻率有32.768kHz（用于實時時鐘）、4MHz、8MHz、12MHz、24MHz等。

有源晶振的頻率范圍則更寬，從幾十kHz到數GHz都能覆蓋。這是因為有源晶振內部的振蕩電路可以對晶體的頻率進行放大和調整，能夠滿足更高頻率的需求。例如，一些高速數字系統中使用的有源晶振頻率可達幾百MHz甚至上GHz。

（二）精度

精度是指晶振輸出頻率與標稱頻率的偏差，通常用ppm（百萬分之一）來表示。無源晶振的精度一般在±20ppm到±100ppm之間，具體取決于晶體的切割方式、加工工藝和工作環境。

有源晶振由于內部集成了更精確的振蕩電路和溫度補償電路（如溫補晶振TCXO），精度可以做到±1ppm到±20ppm，甚至更高。例如，高精度的溫補晶振精度可達±0.1ppm以下，能夠滿足對時鐘精度要求極高的應用場景，如通信系統、導航設備等。

（三）穩定性

穩定性包括溫度穩定性、電壓穩定性和長期穩定性等。無源晶振的穩定性主要依賴于晶體的物理特性和外部電路的穩定性。在溫度變化時，晶體的頻率會隨溫度的變化而變化，通常溫度系數為±20ppm/°C到±100ppm/°C左右。此外，外部電源電壓的波動和負載的變化也會對無源晶振的頻率產生一定影響。

有源晶振通過內部的溫度補償電路、電壓調節電路和穩定的電源供電，能夠有效提高穩定性。例如，溫補晶振（TCXO）通過實時監測溫度并調整振蕩電路的參數，使頻率隨溫度的變化極小，溫度系數可達±1ppm/°C以下。有源晶振的電壓穩定性也較好，能夠在一定的電源電壓波動范圍內保持頻率穩定。長期穩定性方面，有源晶振由于內部電路的優化，也優于無源晶振。

（四）電壓要求

無源晶振本身不需要單獨的電源供電，它依靠外部時鐘電路的電源來工作。外部時鐘電路的電源電壓通常與系統的電源電壓一致，例如5V、3.3V、2.5V等。無源晶振對電源電壓的要求相對寬松，只要外部時鐘電路能夠提供足夠的驅動能力即可。

有源晶振需要外部提供獨立的電源電壓來驅動內部電路工作，常見的電源電壓有5V、3.3V、2.5V、1.8V等。不同類型的有源晶振對電源電壓的要求不同，例如普通有源晶振可能需要5V或3.3V電源，而低功耗有源晶振可以使用1.8V或更低的電源電壓。有源晶振對電源電壓的穩定性要求較高，電源電壓的波動會直接影響其頻率精度和穩定性。

（五）驅動能力

無源晶振的驅動能力較弱，它需要外部時鐘電路提供足夠的驅動電流來起振和維持振蕩。如果外部時鐘電路的驅動能力不足，可能會導致晶振無法起振或振蕩信號不穩定。無源晶振的輸出信號通常是正弦波，幅度較小，需要外部電路進行放大和整形。

有源晶振內部集成了放大電路和整形電路，具有較強的驅動能力，可以直接驅動多個負載，如單片機、FPGA、ASIC等。有源晶振的輸出信號通常是方波或正弦波，幅度較大，無需外部放大電路，能夠滿足不同負載的需求。

（六）功耗

無源晶振由于沒有內部電路，功耗極低，幾乎可以忽略不計。它的功耗主要來自外部時鐘電路的功耗，而外部時鐘電路的功耗通常也比較小。

有源晶振由于內部集成了振蕩電路、放大電路等，功耗相對較高。不同類型的有源晶振功耗差異較大，普通有源晶振的功耗在幾mA到幾十mA之間，而低功耗有源晶振的功耗可以降低到幾百μA甚至更低。在對功耗要求嚴格的嵌入式系統、便攜式設備等應用場景中，需要考慮有源晶振的功耗問題。

（七）體積和成本

無源晶振的體積通常較小，常見的封裝形式有插件式（如HC-49U）和貼片式（如SMD），貼片式無源晶振的體積可以做到非常小，如1.6mm×1.2mm×0.5mm以下，適合在空間有限的電路板上使用。無源晶振的成本較低，尤其是普通的低頻無源晶振，價格非常便宜。

有源晶振由于內部集成了更多的電路和元件，體積相對較大，常見的封裝形式有DIP、SMD等。一些高精度、高穩定性的有源晶振，如溫補晶振、壓控晶振（VCXO）等，體積會更大。有源晶振的成本較高，尤其是高精度、高穩定性的產品，價格可能是無源晶振的幾十倍甚至上百倍。

三、參數差異對系統設計的影響

（一）時鐘電路設計

1. 無源晶振需要外部設計時鐘電路，如在單片機系統中，需要在單片機的時鐘引腳上連接無源晶振和匹配電容，以構成振蕩電路。時鐘電路的設計需要考慮匹配電容的選擇、布線布局等因素，以確保晶振能夠穩定起振。如果時鐘電路設計不當，可能會導致晶振無法起振、頻率偏差過大或噪聲干擾等問題。
2. 有源晶振無需外部設計振蕩電路，只需提供合適的電源電壓和接地即可，時鐘電路設計相對簡單。有源晶振的輸出信號可以直接連接到系統中的各個時鐘輸入端，減少了外部電路的復雜性。

（二）電源管理

1. 無源晶振不需要獨立的電源，電源管理主要針對外部時鐘電路，只需確保外部時鐘電路的電源穩定即可，對系統電源管理的影響較小。
2. 有源晶振需要獨立的電源供電，電源管理需要考慮以下幾點：

? 電源電壓的選擇：根據有源晶振的規格要求，選擇合適的電源電壓，并確保電源電壓的穩定性。可以使用穩壓器或電源濾波器來提供穩定的電源電壓。

? 電源噪聲抑制：有源晶振對電源噪聲比較敏感，電源噪聲會影響其頻率精度和穩定性。需要在電源輸入端添加去耦電容、電感等濾波元件，以抑制電源噪聲。

? 低功耗設計：在對功耗要求嚴格的系統中，需要選擇低功耗的有源晶振，并合理設計電源管理電路，如在不需要時鐘信號時關閉有源晶振的電源，以降低功耗。

（三）信號完整性

1. 無源晶振的輸出信號是正弦波，幅度較小，需要外部電路進行放大和整形，這可能會引入噪聲和失真，影響信號完整性。在高速數字系統中，正弦波信號的上升沿和下降沿較慢，可能會導致時鐘信號的抖動和相位噪聲增加，影響系統的性能。
2. 有源晶振的輸出信號通常是方波，具有陡峭的上升沿和下降沿，幅度較大，能夠提供更好的信號完整性。方波信號的時鐘抖動和相位噪聲較小，適合在高速數字系統中使用。此外，有源晶振的輸出阻抗較低，可以驅動較長的傳輸線，減少信號反射和衰減。

（四）系統穩定性和可靠性

1. 無源晶振的穩定性和可靠性主要依賴于外部時鐘電路的設計和工作環境。如果外部時鐘電路的元件性能不穩定、溫度變化較大或存在電磁干擾，可能會導致無源晶振的頻率漂移、起振困難或損壞。
2. 有源晶振由于內部集成了穩定的振蕩電路和補償電路，能夠在較寬的溫度范圍和電源電壓范圍內保持穩定的頻率輸出，提高了系統的穩定性和可靠性。尤其是在惡劣的工作環境中，如高溫、低溫、高壓、強電磁干擾等場景，有源晶振的優勢更加明顯。

（五）成本和體積限制

1. 無源晶振具有成本低、體積小的優勢，適合在對成本和體積要求嚴格的消費電子、低端嵌入式系統等應用場景中使用。例如，在普通的單片機開發板、電子玩具、簡單的測控系統中，通常使用無源晶振來降低成本和體積。
2. 有源晶振雖然成本較高、體積較大，但在對時鐘精度、穩定性和驅動能力要求較高的系統中，如通信設備、工業控制、航空航天等領域，必須使用有源晶振。這些系統對時鐘信號的質量要求極高，寧可增加成本和體積，也要保證系統的正常運行。

四、應用場景選擇

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（一）無源晶振的應用場景

1. 消費電子：如手機、平板電腦、數碼相機、MP3播放器等，這些設備對成本和體積要求嚴格，無源晶振能夠滿足一般的時鐘需求。
2. 低端嵌入式系統：如單片機控制的簡單嵌入式設備，如家電控制器、智能插座、傳感器節點等，無源晶振的精度和穩定性能夠滿足大多數應用場景。
3. 實時時鐘（RTC）：32.768kHz的無源晶振是實時時鐘模塊的常用選擇，它具有體積小、功耗低、成本低的特點。

（二）有源晶振的應用場景

1. 通信系統：如路由器、交換機、基站、光纖通信設備等，這些設備對時鐘精度和穩定性要求極高，需要使用高精度的有源晶振，如溫補晶振、恒溫晶振（OCXO）等。
2. 工業控制：如PLC、變頻器、數控機床等，工業環境通常溫度變化較大、電磁干擾較強，有源晶振的高穩定性和抗干擾能力能夠保證系統的可靠運行。
3. 高速數字系統：如FPGA、ASIC、高速ADC/DAC等，這些系統需要高速、穩定的時鐘信號，有源晶振的方波輸出和強驅動能力能夠滿足需求。
4. 導航設備：如GPS、北斗導航接收機等，對時鐘精度和穩定性要求極高，需要使用高精度的有源晶振來保證定位精度。

五、結論

無源晶振和有源晶振在參數上存在明顯差異，這些差異決定了它們在不同的系統設計中有著不同的應用場景。無源晶振具有成本低、體積小、功耗低的優勢，適合在對時鐘要求不高的低端應用中使用；有源晶振具有精度高、穩定性好、驅動能力強的優勢，適合在對時鐘要求嚴格的高端應用中使用。在系統設計中，需要根據具體的應用需求，綜合考慮頻率范圍、精度、穩定性、電壓要求、驅動能力、功耗、體積和成本等因素，選擇合適的晶振類型，以確保系統的性能和可靠性。

審核編輯 黃宇