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對于電子工程師而言，晶體和晶振是電路中不可或缺的關鍵元件，尤其在涉及到時鐘信號和同步操作時。雖然兩者在功能上有著相似之處，但在實際應用、電路設計以及布局布線等方面卻存在著顯著的區別。本文將詳細對比晶體和晶振的屬性、特點及應用場景，并為大家提供一些實用的布局和布線建議。 一、晶體與晶振的區別 對于許多初入職場的硬件工程師來說，區分晶體（Crystal，簡稱XTAL）和晶振（Crystal Oscillator，簡稱XO）一直是個令人頭疼的問題。以下是它們之間的主要差異： 01名稱差異 晶體，通常簡稱為XTAL。 晶振，則被稱為晶體振蕩器，通常簡稱為XO。 02電源需求 晶體本身無法振蕩，需要依賴外部電路來產生時鐘信號。使用晶體的芯片內部通常都集成了振蕩電路。 晶振只需通電即可振蕩并輸出時鐘信號，因為其內部已經集成了振蕩電路。有時，晶體被稱作無源晶體，而晶振被稱作有源晶體，這種稱呼方式凸顯了兩者在電源需求上的差異。 03輸出方式 晶體沒有電源引腳，但有輸入和輸出兩個引腳。 晶振有電源引腳，但只有一個輸出引腳。 04焊接方向 晶體沒有方向性，可以正向或反向焊接，不影響使用。 晶振有方向，焊反則信號無法傳至芯片。芯片上的XTAL_IN和XTAL_OUT是為內部振蕩電路而標，與外部晶體無關。晶體無方向，正向、反向壓電效應相同。晶振在芯片上通常只標XTAL_IN或XTALCLOCK，只需連對應芯片腳即可。 05引腳數量 兩個引腳的一定是晶體。晶體只需要一個薄片狀的水晶片即可振蕩。因此，一個水晶片的兩個引腳就是晶體的最少引腳數。小尺寸的晶體可能會帶有兩個地腳，用于將晶體的外殼接地屏蔽。 晶振至少有三個引腳，包括電源、地和時鐘輸出。如果再加上一個壓控腳，就是四個引腳了。 二、晶體與晶振的應用場景有何不同？ 1、晶體在電路中的應用 當考慮晶體在電路中的應用時，其主要作用是提供一個穩定、準確的時鐘信號。這種信號對于同步和協調電子設備中的各種操作至關重要。 ①、穩定的時鐘源：晶體與芯片內部的振蕩電路相結合，可以為整個系統提供一個穩定的時鐘信號。這是大多數數字電路，特別是微處理器和存儲器，所必需的。 ②、低成本解決方案：由于晶體本身只需外部連接，不需要復雜的供電或控制線路，這使得它成為一個低成本的時鐘解決方案。 ③、緊湊電路設計：晶體通常很小，適合在緊湊的電路板設計中使用。 ④、焊接無方向性：晶體沒有特定的焊接方向，這降低了焊接錯誤的風險。 2、晶振在電路中的應用 晶振，與晶體相比，是一個更為完整的解決方案，因為它內部已經包含了必要的振蕩電路。這使得它在某些應用中更為方便。 （1）簡化電路設計：由于晶振內部已經有了振蕩電路，所以只需要為其提供電源，它就會輸出一個時鐘信號。這簡化了電路板設計。 （2）高精度和高穩定性：晶振通常能夠提供比基本的晶體更高的精度和穩定性，特別是在寬溫度范圍內。 （3）易于控制：對于需要頻率控制的應用，如使用壓控振蕩器（VCXO）的場景，晶振可以提供一個簡單的接口來實現這一點。 （4）適應特定需求：對于需要寬溫度范圍或對精度要求高的應用，如GPS模塊或高端處理器，溫補晶振（TCXO）可以確保系統在不同環境下都能正常工作。 三、晶體的布局布線指南 1、晶體布局： 優先考慮緊湊布局，將元件優先放置在TOP層，盡量靠近IC管腳。 為降低寄生電容，當放置兩個電容時，應確保分支長度最小化。 2、晶體布線： 優先選擇TOP層進行布線。若需過孔，務必在附近設置回流過孔。 晶體信號線應走線成類差分形式。 加粗晶體信號線至8/10mil。 為減小寄生電容，通常將電容的地線扇出線寬加粗至18-22mil。 對時鐘信號線實施包地處理，確保其穩定性。 在晶體附近設置屏蔽地過孔，以吸收和減少輻射噪聲。
四、晶振的布局布線指南 1、晶振布局： 保持緊湊布局，優先考慮在TOP層進行布局。 將匹配電阻緊鄰晶振放置，以減小電阻與晶振之間的信號延遲。 對于晶振電源，采用π型濾波以提高電源質量。在空間允許的情況下，濾波電容應優先放置在TOP層，并按照先大后小的順序放置，以確保良好的濾波效果。 2、晶振布線： 為避免干擾，晶振本體下方禁止走線。在布線密度較大的情況下，至少確保晶振本體經過兩個平面層的屏蔽后方可走線，以維護信號完整性。 晶振輸出信號應按照嚴格的50歐姆阻抗進行走線。在換層處，務必打過回流地過孔，并與其他信號保持至少4W以上的間距，以減小串擾和電磁干擾。
五、晶體晶振的PCB可制造性檢查 在PCB布局和布線設計完成后，為確保順利制造并避免潛在的可制造性問題，進行可制造性檢查是至關重要的一步。特別是對于晶體和晶振的PCB設計，應對線寬、線距、孔距和孔徑大小進行仔細檢查。此外，還要核實孔環是否足夠，以確保穩定的電氣連接。 我們可以使用華秋DFM軟件對晶體和晶振的PCB設計進行詳細檢查，包括最小線寬、線距，焊盤的大小以及是否漏引腳孔等多項工藝問題，還可以提前預防是否存在可制造性問題等。 結語： 希望通過本文的闡述，讀者們能夠對晶體和晶振有更清晰的認識，理解它們在電路中的重要作用，以及在設計和應用時需要注意的關鍵點。對于工程師來說，選擇合適的元件并進行合理的布局和布線，是確保電路性能穩定、可靠的關鍵步驟。希望大家在實踐中學以致用，不斷積累經驗，為電子行業的發展貢獻自己的力量。 |
