从手表晶体到 5G 基站，隐藏在设备里的“时间心跳”

在绝大多数电子设备里，都藏着一小片晶体 SiO₂——它不显眼，却在后台负责“报时”：给 MCU 提供主时钟、给无线射频做参考、给网络与存储提供高速接口时序。没有稳定的石英时基，手表会慢、基站会乱、SERDES 链路也跑不稳。

本文结合 FCom Fuji Crystal 的实践经验，用工程师视角梳理：

石英为什么适合做电子“心跳”

常见的石英器件家族

石英在不同应用中的典型角色

如何为自己的项目选对方案

设计和 Layout 时容易忽略的关键点

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一、为什么几乎所有电子设备都离不开石英？

石英的核心特性是压电 + 高 Q 谐振：在合适的切割角度和厚度下，施加电压会产生机械形变，机械应力又会“反馈”出电信号，从而在某个自然频率上形成非常尖锐的谐振。

相对其他材料，石英在电子领域的优势主要有：

高频率稳定度：通过 AT-cut、SC-cut 等不同切割方式，可以调整温度曲线，把频偏控制在 ppm 级别

低相位噪声：高 Q 意味着更干净的频谱，特别适合 RF、本振以及高速数字接口

老化可控：随时间漂移一般是几 ppm 级，前期稍高，逐年递减

工艺成熟、成本可控：几十年应用积累，封装与可靠性非常成熟

这就是“石英电子（Quartz Electronics）”能从手表时代一路延伸到 5G 与数据中心的根本原因。

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二、石英电子的四大器件家族

1. 石英晶体谐振器（Crystal Resonator）

典型为 2 引脚“裸晶体”，接在 MCU / SoC 内部振荡放大器回路里

代表场景：32.768 kHz RTC、几 MHz～几十 MHz 的 MCU 主时钟

关键参数：负载电容 CL、等效串联电阻 ESR、驱动功率、频率容差与稳定度等

2. 晶体振荡器家族（XO / TCXO / VCXO / OCXO）

把“石英 + 放大器 + 补偿网络 + 缓冲输出”做成一个完整模块，直接输出时钟：

XO：通用型晶振，成本低，适合大多数常温场景

TCXO：温度补偿晶振，温漂可做到 ±0.5～±2 ppm，GNSS、蜂窝通信、室外物联网常用

VCXO：可调谐晶振，用控制电压微调频率，适合 PLL、时钟对齐、抖动优化

OCXO：恒温晶振，通过小“烤箱”把晶体锁在固定温度，稳定度可到 ppb 级，主要用于基站、授时、测试仪器等高端场合

3. SAW / BAW 频率器件

很多 SAW（表面声波）/ BAW 器件也使用石英或其它压电材料，用来实现滤波与选频，而不是纯粹的时钟输出：

Wi-Fi / 蓝牙 / NFC 前端滤波

车钥匙、遥控器、IF 中频滤波等

4. 基于石英的传感器

利用石英的谐振特性，可做成高灵敏度传感器，用于：

精密称重、厚度测量

工业与实验室仪器中的高精度检测

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三、石英在不同应用里的典型“出镜方式”

文章中把石英应用大致分成几条主线：

消费与 IoT：MCU 时钟、32.768 kHz RTC、蓝牙 / Wi-Fi / GNSS 参考、可穿戴设备、相机

计算与存储：PCIe、USB、SATA、Ethernet PHY 的参考时钟与抖动控制

5G / 通信与网络：OLT/ONU、RRU、小基站、交换机、路由器等设备中的 TCXO、OCXO、VCXO

汽车电子与 ADAS：域控制器、摄像头、毫米波雷达、车载以太网

工业与能源：PLC / DCS、智能电表、边缘网关，对温度与老化更敏感

医疗与测试测量：超声、成像系统、频谱仪与示波器中的高精度时基

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四、工程师如何快速选对石英方案？

可以用“场景 + 约束”的方式来思考：

简单 MCU 时钟 / 低功耗单片机

优先：晶体谐振器或低功耗 XO

注意：CL/ESR 与 MCU 推荐值匹配，保证启动裕量

电池供电 + 室外应用（GNSS、蜂窝、追踪器）

选择：TCXO，温度范围覆盖 −40～+85/105 ℃，稳定度在 ±0.5～±2 ppm

收益：更短 TTFF、更稳的无线链路

需要频率拉偏或网络同步

选择：带合适拉偏范围与线性的 VCXO

运营级授时 / 极低相噪场景

选择：OCXO（ppb 级），同时预留预热时间与功耗空间

RF 滤波、中频/射频选频

考虑：SAW/BAW 滤波器与谐振器，关注中心频率、带宽、插入损耗与温度系数

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五、选型时一定要看懂的几个指标

频率容差 vs 稳定度

容差：出厂时相对标称频率的偏差

稳定度：在温度、时间等因素叠加下的频率变化

相位噪声与抖动

对 SERDES、高速 ADC/DAC、RF 链路尤为关键

直接影响眼图开口、误码率和邻道干扰

老化（Aging）

一般第一年几 ppm，之后逐年减小

做长期精度预算时要算进系统误差

温度范围

常见有商规 0～70 ℃、工规 −40～+85 ℃、更宽温到 +105 ℃ 甚至更高

还要注意热冲击、焊接应力对频率的影响

功耗与启动特性

电池设备倾向于 mW 级时钟方案

OCXO 则需要考虑预热功耗与稳定时间

输出格式与幅度

CMOS / Clipped Sine / LVDS / HCSL 等

需要和下游接口、布线阻抗匹配

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六、设计与 Layout 的实用检查清单

1. MCU + 晶体谐振器

依据数据手册选取合适 CL，外接电容要把走线寄生一起算进去

XTAL 区域走线尽量短、对称，下方保持完整地平面

避免高速数字线、开关电源从晶体附近“穿过”

必要时在回路中加串联电阻，降低过高环路增益，减少过驱和老化风险

2. 独立晶振模组（XO / TCXO / VCXO / OCXO）

电源去耦：VDD 旁边就近放置 0.1 µF + 1 µF，噪声严重时可加 LC 滤波

输出端阻抗与布线匹配，长线 / 高速时优先用差分输出

善用 OE/Standby 管脚做上电、功耗管理

TCXO/OCXO 尽量远离发热大户，OCXO 预留适当散热与预热时间

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七、FCom Fuji Crystal 的石英电子布局

FCom Fuji Crystal 提供从晶体谐振器到 XO / TCXO / VCXO / OCXO 的完整时钟方案，也覆盖 SAW 滤波器和其它频率控制器件，可满足：

可穿戴与消费类电子的低功耗时钟

GNSS 模块与蜂窝设备的高稳定度参考

通信与网络设备的同步与授时

工业、能源与测试测量设备的高可靠石英基准

对整机厂和模组厂而言，可以在同一品牌体系内完成“时钟 + 滤波”的整体优化与支持。

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八、简要 FAQ（面向工程师的小问答）

Q1：石英和 MEMS 定时器怎么选？
A：石英在相位噪声、抖动与长期稳定度上仍然更有优势，适合 RF、高速接口与高精度测量；MEMS 在抗冲击、一体化封装等方向更适合严苛机械环境或高集成 SoC。

Q2：SAW 滤波器算不算“石英电子”？
A：算。很多 SAW 器件使用石英或其他压电材料，专门负责 RF 频段的滤波与选频，与“时钟型”石英器件形成互补。

Q3：MCU 主频应该选多少 MHz 比较合适？
A：优先选 MCU 生态里常见的频点，例如 8 / 12 / 16 / 24 / 25 / 48 MHz，方便内部分频与外设时钟配置；若只需要 RTC，则 32.768 kHz 是现实且成熟的选择。

Q4：ppm 和实际时间误差之间大概是什么关系？
A：1 ppm 大约对应 1 µs/s ≈ 86.4 ms/天。例如 ±2 ppm 的 TCXO，每天时间漂移约 ±0.17 s，对于 GNSS 协助校时的系统通常是可以接受的。

Q5：什么时候该从 XO 升级到 TCXO/OCXO？
A：

室内、温度较稳定 + 成本敏感 → 先用 XO；

全温区、无线链路敏感 → 优先考虑 TCXO；

运营级授时或精密仪器 → 需要 OCXO，并设计好预热与散热。

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参考与延伸阅读

英文原文：How Quartz Is Used in Electronics: From Watch Crystals to 5G

读完这篇，如果你在项目中正纠结“到底该选晶体、XO、TCXO 还是 OCXO”，不妨结合自己的系统需求，把上面的几条 checklist 按场景过一遍，再和器件供应商（例如 FCom Fuji Crystal）对表细节，会比单纯看 datasheet 更高效。