晶体一秒变晶振
1.晶体和晶振
通常，我们会将“晶体”（Crystal）和“晶振”（Oscillator）都叫成“晶振”，这种叫法并不恰当。
无源晶体是有两个引脚的无极性元件，如图1(a)。正常工作时，需要借助外部电路产生振荡信号，自身并不需要单独外加电源。
图1晶体和晶振
而有源晶振一般有四个引脚，如图1(b)，其内部集成石英晶体、晶体管、电阻电容等元件。晶振是一个完整的振荡器，只需要外加适当电源就能正常工作，无需其他外加电路。
2.成本分析
在设计时，工程师要尽可能的降低设计成本，从表1中看出这种晶体转晶振的电路可以使晶振的成本降低60%。
表1价格对比
晶振电路
元件
价格
晶振总价
有源晶振电路
有源晶振
4元左右
4元左右
无源晶体转有源晶振
电路
无源晶体
0.8元左右
2.3元左右
无缓冲反相器
0.5元左右
电阻、电容
0.1元以下
3.晶体变晶振
采用晶体外加无缓冲反相器等元件组成晶振电路，原理及元件如图2。
图2无缓冲反相器和晶体组成的晶振电路
电路中电阻和电容的选择取决于反向器增益、频率稳定性、功耗、晶体特性和启动时间等，推荐参数如表2。
表2参数选择
标号
名称
参数选择
RF
反馈电阻
1~10M?
U1
无缓冲反相器
参考选择：NXP-74HC2GU04； ON-NL27WZU04； TI-SN74LVC2GU04；
X1
晶体
晶体的负载电容CL关系到RS、C1、C2的参数选择
RS
隔离电阻
约等于C2的容抗值
C1
电容
C2
电容
U1：增加U1B主要是为了增大输出能力。无缓冲反相器的型号可以选择NXP、ON、TI等厂家的双反相器芯片。
RF：反向器的反馈电阻，它将反向器偏置在线性区域内。选择的RF值需要足够大，以便反向器的输入阻抗可以与晶体匹配。通常情况下，选择的值在1M?与10M?之间。
RS：将反向器的输出与晶体隔离开来，防止寄生高频振荡，以便获得良好的波形。通过选择大约等于容抗的值（RS≈XC2）可以获得可以接受的结果。
C1、C2：选择C1和C2的值时，要使C1和C2的并联值等于晶体数据表中的建议负载电容(CL)。另外，电容的选择还关系到晶振的启动时间、相移、谐振频率等。
4.参数测试
测试电路时，我们选用了三种不同频率的晶体（见表3）和三个厂家的无缓冲反相器进行组合测试，测试结果见表4。
表3晶体参数
标称频率
负载电容
调整频差
工作温度
温度频差
16.00MHz
20pF
±30 ppm
-20℃~+70℃
±30 ppm
24.00MHz
20pF
±30 ppm
-20℃~+70℃
±30 ppm
27.12MHz
20pF
±30 ppm
-20℃~+70℃
±30 ppm
表4多种电路的测试统计
型号及厂商
标称频率
频率范围(MHz)
测试频率(MHz)
占空比
启振时间
NL27WZU04(ON)
24.00MHz
23.999280~24.000720
23.999529~23.999535
52.16%
27us
NL27WZU04(ON)
27.12MHz
27.119186~27.120814
27.120630~270120635
52.30%
44us
74HC2G104(NXP)
16.00MHz
15.999520~16.000480
16.000111~16.000114
51.12%
150us
74HC2G104(NXP)
24.00MHz
23.999280~24.000720
23.998941~23.998946
50.60%
140us
SN74LVC1GX04(TI)
16.00MHz
15.999520~16.000480
16.000033~16.000036
51.76%
130us
SN74LVC1GX04(TI)
27.12MHz
27.119186~27.120814
27.120341~27.120345
52.85%
37.5us
备注：
测试工具：泰克示波器；多功能计数器—SP1500B；
测试温度：25℃±2℃。；
试验电压：3.3V。
频率：由晶振的调整频差（25℃±2℃）可以知道，晶体频率在其容忍频率范围内变动是允许的。表4中的测试频率均在允许范围内，并且变动范围较小。
占空比：数字系统对占空比要求并不严格，如果用在占空比的场合，用户需要对该参数进行筛选和测试。
启动时间：使用示波器的电平触发功能，测量从系统上电到输出稳定波形的时间。
高低温测试：根据晶体的工作温度，分别测试和记录了电路在85℃、70℃、50℃、25℃、0℃、-20℃、-40℃下的输出频率、占空比等参数，晶振均能顺利启振并参数正常。由于数据较多，篇幅有限，这里就不再列举。
5.结论
利用无源晶体的有源晶振不仅技术上可行，而且可以降低成本。
6.应用场合
TI在2011年针对工业控制领域推出了低成本，高性能的Cortex-A8内核AM335x系列处理器，致远电子采用AM335x处理器，推出了采用邮票孔封装的M3352_YP核心板以满足客户高稳定性的需求。
图3M3352邮票孔核心板
当客户M3352_YP做外围电路时，如需要使用百兆以太网功能，需要外加PHY电路，PHY芯片通常可以选择DSZ8041或者DP83848，在使用RMII接口时，无论选择何种型号的PHY芯片，都需要为PHY芯片提供一路50MHz的CLK信号。为了降低成本可以采用50.000M晶体+NL27WZU04的方式为PHY提供50.000M的时钟源。
