晶体一秒变晶振，成本直降60%！
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。
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%。
| 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元左右 |
表1 价格对比
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
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。
：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1MΩ与10MΩ之间。
：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指定的建议负载电容 (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。
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。
| 标称频率 | 16.00MHz | 24.00MHz | 27.12MHz |
|---|---|---|---|
| 负载电容 | 20pF | 20pF | 20pF |
| 调整频差 | ±30 ppm | ±30 ppm | ±30 ppm |
| 工作温度 | -20℃~+70℃ | -20℃~+70℃ | -20℃~+70℃ |
| 温度频差 |
±30 ppm |
±30 ppm | ±30 ppm |
表3 晶体参数
| 反相器型号 | 标称频率 | 测试频率(MHz) |
|---|---|---|
| NL27WZU04(ON) | 24.00MHz | 23.999529~23.999535 |
| NL27WZU04(ON) | 27.12MHz | 27.120630~270120635 |
| 74HC2G104(NXP) | 16.00MHz | 16.000111~16.000114 |
| 74HC2G104(NXP) |
24.00MHz |
23.998941~23.998946 |
| SN74LVC1GX04(TI) | 16.00MHz | 16.000033~16.000036 |
|
SN74LVC1GX04(TI) |
27.12MHz | 27.120341~27.120345 |
表4 多种电路的测试统计
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。
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。
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。
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3 M3352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。
图4 无源晶体做有源晶振典型应用电路
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