一文解析有源与无源晶振的区别

有源晶振和无源晶振的区别

1、有源晶振比较贵，但是有源晶振自身就能震动。而无论是无源晶振，还是有源晶振，都有自身的优点和缺点所在，若考虑产品成本，建议可以选择无源晶振电路;若考虑产品性能，建议选择有源晶振电路，省时方便也能保证产品性能。

2、无源晶振最高精度为5ppm，而有源晶振的精度则可以达到0.1ppm。精度越高，频率稳定性也更好。有源晶振在稳定性上要胜过无源晶振，但也有自身小小的缺陷，有源晶振的信号电平是固定，所以需要选择好合适输出电平，灵活性较差。

3、有源晶振一般4个脚，一个电源，一个接地，一个信号输出端，一个NC(空脚)。有个点标记的为1脚，按逆时针(管脚向下)分别为2、3、4。

4、无源晶振有2个引脚，需要借助于外部的时钟电路(接到主IC内部的震荡电路)才能产生振荡信号，自身无法振荡。

晶振是一种重要的电子元件，广泛应用于各种电子设备中，根据其内部结构和工作原理的不同，晶振又可以分为有源晶振和无源晶振两种类型的晶振。以下是关于有源晶振和无源晶振的主要区别。

一、工作原理

无源晶振：英文名称为Crystals，是晶体谐振器的简称，是基于石英晶体的谐振器件。从本质上来说它是一个石英晶体元件，是一个被切割和加工成特定形状和尺寸的石英晶体片。当通过电流给予其激励时，它就会利用石英晶体天然的机电效应来产生一个精确的频率，石英晶体在电场的作用下会产生振荡。我们常用的无源晶振的频率范围在几kHz到几十MHz之间，但特定的应用可能会要求更高或更低的频率。

有源晶振：英文名称为Crystal oscillator，是晶振振荡器的简称，这是一种集成了振荡器电路的晶振器件，它可以直接输出一个稳定的方波信号。其基本工作原理是利用石英晶体的压电效应和振荡器电路的反馈机制。当石英晶体受到外部压力时，它会产生电压，然后振荡器电路将电压反馈并增大，从而维持晶体的振荡。

二、结构与封装

无源晶振：通常较小，封装简单。常见的封装形式有HC-49U等。

有源晶振：由于内部包含了振荡器电路，并且内部结构也较为复杂，因此有源晶振的封装通常较大。常见的封装形式包括SMD(表面贴装设备)封装，适用于现代的PCB设计。

三、输出特性

无源晶振：无源晶振本身不直接输出方波或正弦波信号，相反，它需要与外部电路(如Pierce振荡器电路)结合使用，以产生振荡输出。当与适当的电路相结合时，晶振将在其固有的谐振频率上产生振荡。

有源晶振：有源晶振的主要输出为一个方波信号，具有稳定且精确的频率和幅度，并且方波信号的频率由石英晶体的谐振频率决定，通常在几千赫兹至数十兆赫兹的范围内。而方波信号的幅度通常是 TTL或 CMOS电平。

四、电源需求

无源晶振不需要外部电源供电，但要产生振荡，通常需要与一个外部的振荡器电路配合，而这个电路需要供电。有源晶振需要外部电源供电驱动振荡器电路。有源晶振是由晶体和一个内部的放大器电路组成的，这个放大器电路需要外部供电来驱动，使得晶体产生稳定的振荡。

五、应用领域

无源晶振：无源晶振因为成本低和其简单性，被广泛用于各种电子产品中，如手表、时钟、无线通信设备、计算机等，作为频率参考或时钟源。

有源晶振：由于其能够提供准确且稳定的输出频率，所以常用于有源晶振广泛应用于各种电子设备中，特别是需要一个稳定频率参考的应用。例如：通信设备、计算机、工业控制系统、音视频设备等。

常见问题

无源晶振不起振?

→ 检查负载电容是否匹配(参考芯片手册)，或尝试调整电容值(通常15~22pF)。有源晶振输出异常?

→ 确认供电电压是否稳定，输出端是否短路。能否互换使用?

→ 不能!无源晶振需驱动电路，直接替换会导致电路失效。经验法则：

消费电子(手环、遥控器)→ 无源晶振网络设备、工业主板 → 有源晶振射频/卫星通信 → 温补晶振(TCXO)(有源晶振的高精度变种)

基本定义

无源晶振(Crystal Oscillator，简称石英晶体)

只是一个压电陶瓷或石英晶体谐振器，自身无法产生振荡信号.

需要外部电路(如芯片内部的振荡电路)提供激励信号才能工作.

常见封装：HC49s封装(市面上已慢慢淘汰)贴片式(如SMD3225、smd2520、smd2016等).

有源晶振(Oscillator，全称石英晶体振荡器简称晶振)

完整振荡器,内部集成晶体、振荡电路IC，直接输出时钟信号,无需外部电路，通电即可工作.

常见封装：四脚贴片(如osc7050/osc5032/osc3225/osc2520)或双列直插(DIP)市面上很少插件的了

核心区

特性 | 无源晶振 | 有源晶振 |

| 工作原理 | 依赖外部电路激励 | 内置振荡电路，独立工作 |

| 输出信号 | 正弦波(需整形) | 方波或正弦波(可直接使用) |

| 供电需求 | 无需电源(但外部电路需供电) | 需单独供电(如3.3V、5V等) |

| 启动时间 | 较慢(毫秒级) | 较快(微秒级) |

| 精度 | 依赖外部电路，通常较低(±10~100ppm) | 内置温补电路，精度高(±0.1~50ppm) |

| 成本 | 低 | 较高 |

| 设计复杂度 | 需匹配负载电容设计复杂 | 即插即用，设计简单 |

典型应用场景

无源晶振

用于对成本敏感、设计空间受限的场景，如：

单片机的时钟源,消费电子产品(蓝牙耳机,智能穿戴等)

有源晶振

用于高稳定性、快速启动或复杂环境的应用，如：

通信设备(GPS、射频模块)。

工业控制、监控矩形,工业控制板高可靠性领域。

选型建议

选无源晶振：低成本、低功耗设计，且主控芯片内置振荡电路时。

选有源晶振： 需要高精度(如GPS、工业控制板)。

典型设计电路

无源晶振设计

无源晶振设计需要谐振电容和反馈电阻，以提升晶振的启动性能。C1和C2作为谐振电容，其值可根据特定方法进行计算选定。R2和R4可根据实际需求替换为低阻抗的磁珠，以优化电路性能。无源晶振设计通过并联1M电阻，增加了电路中的负性阻抗，提升了增益，进而缩短了晶振的启动时间，使其更易启动。

有源晶振设计

有源晶振设计包含预留匹配设计和高频噪声抑制，以确保电源的稳定性。图4展示了有源晶振的典型电路，其中，R1是一个预留的匹配设计，其值可以根据实际需求进行灵活调整，或者通过低阻抗的磁珠来进行替换。有源晶振设计通过L1的作用抑制晶振产生的高频噪声对电源的干扰，确保电源能够保持稳定。

输出波形

无源与有源比较

无源晶振的输出为标准的正弦波，其波形特点鲜明。而有源晶振则输出可灵活选择的正弦波或方波，具体取决于实际的应用需求。

图5展示了两种晶振的输出波形。无源晶振的输出为标准正弦波，其波形特点显著。而有源晶振的输出则更为多样化，既可以是正弦波，也可以是方波，其波形选择相当灵活，能够适应不同的应用场景。