选择晶体谐振器(Xtal),还是晶体振荡器(XO)?，晶体谐振器

描述

晶振是晶体谐振器(quartz crystal, Xtal)和晶体振荡器(crystal oscillator, XO)的统称，两者的性能、价格不一样，用法也完全不同。

其中，谐振器(Xtal)是石英晶片的封装体，这个晶片从石英晶体按一定方式切割而成，并经过了整形、抛光、镀电极、调整等一系列真空操作，能以很高的Q值在指定的频率起振。Xtal属于无源元件，不包含起振电路，但在电路分布上与包含驱动电路的IC芯片紧密相连。

晶体振荡器(XO，右)与石英谐振器(Xtal，左)的内部结构

相较而言，晶体振荡器(XO)是一个完整的电路，包含了谐振片(Xtal)、振荡电路、输出驱动器和锁相环电路(PLL)。XO以一定的频率和信号格式输出时钟信号，如CMOS、LVDS、LVPECL等格式。电路中，XO可直接连接MCU等芯片，或者通过缓存的馈送提供特定频率的多个版本。

那么，到底该选择晶体谐振器(Xtal)，还是振荡器(XO)?这需要考虑以下指标。

时钟精度要求高吗?

晶体振荡器(XO，右)与石英谐振器(Xtal，左)的内部结构

目前，许多消费类和电池驱动型物联网设备都采用SoC芯片，通常需要时来同步，这样的芯片内部通常集成了振荡电路，只需外接一个石英镜片即可，这时选择谐振器(Xtal)比较合适。

对于高端应用，如数据中心、通信、工业自动化等，应用条件严苛，工作环境较差，通常会外接一个带有保护装置的XO，作为SoC芯片内部PLL的参考时钟。这时如果选择晶体谐振器，宕机的概率比较大。

抖动指标是多少?

时序抖动(Timing jitter)是衡量时钟信号纯度的有效指标。抖动越小，时钟信号的噪声就越小。由于晶体振动器(XO)担当着系统“心跳”的角色，输出一个清晰、低抖动的时钟信号非常必要。这里，抖动可通过示波器的时域，或相位噪声分析仪的频域进行测量。

需要可变频率吗?

很多振荡应用只需要一个单一、固定的频率，如16.9344MHz、156.25MHz等。但在某些情况下，却需要振荡器提供可变频率。例如，12G-SDI视频格式就需要在297MHz和297/1.001MHz这两个不同帧率的视频之间切换。

虽然大多数情况下，电子工程师可能并不知道最终设计的准确频率是多少，但是他们需要一个振荡器作为频率参考。对这些应用，理想的方案是选择一个能提供多个频率、已经预先设置并保存的XO晶振，如采用双封、四封的多振荡器产品。

XO晶振的另一形式是I2C可编程晶振。这种晶振具有最大的频率灵活性，在很大频率范围内具有恒定的低抖动性能。这些器件可在线编程，可提供几乎无限数量的频率。

频率稳定性很重要吗?

频率稳定性指XO晶振的输出频率随温度变化而偏移的大小，以PPM为单位，通常有±20ppm、±50ppm、±100ppm。如果频率偏移超出了应用预期值，就很可能发生时序紊乱。

当然，衡量XO晶振频率特性的还有总体稳定性参数，这个参数还包括了25°C的初始准确度，以及经过一段老化时间后的数值的总和。

同样，石英谐振器经过较长一段时间后，输出频率也会慢慢的发生偏移。在规格书(datasheet)上，有的晶振供应商标出的是25°C一年时间的老化值，有的是10年或更长时间的数值，这也需要引起注意，以免混淆。

审核编辑：汤梓红