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提供的一些振荡器

提供的一些振荡器

MCU的振荡器电路

在本文结尾处,有一个简易的晶体及外围器件选型指南,其中为MCU推荐了一些 晶体 型号,可以帮助大家快速上手。

以下是插件型石英晶体谐振器

有源石英晶体振荡器是最少拥有最少4个脚的的产品,四个脚的用途是:一脚悬空,二脚接地,三脚接输出,四脚接电压,电压也有分为以下几种,1.8V-2.5V-3V-3.3V-3.8V-5V等电压,振荡器内部本身除了有加工过的压电石英晶片外,还有有源振荡器IC,以及电阻两颗,电容两颗,有些会有一颗三级稳压管等原件,插件的外观体积比较大,但是随着现在的科技发展,有源晶振体积也从最初的超大体积长20mm,宽11mm,到现在的2.5mm长,宽2.0mm的小尺寸,有源晶振的英文单词简称为(Quartz crystal oscillator)。

1、石英晶体的特性及模型 石英晶体的特性及模型

C 0 :等效电路中与串联臂并接的电容(译注:也叫并电容,静电电容,其值一般仅与 提供的一些振荡器 晶体 的尺寸有关)。

L m :(动态等效电感)代表 晶体 机械振动的惯性。

C m :(动态等效电容)代表 晶体 的弹性。

R m :(动态等效电阻)代表电路的损耗。

晶体 的阻抗可表示为以下方程(假设R m 可以忽略不计):

其中F s 的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注:它是L m 、C m 和R m 支路的谐振频率),其表达式如下:

F a 是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率(译注:它是整个等效电路的谐振频率),使用等式

在F s 到F a 的区域即通常所谓的:“并联谐振区”(图2中的阴影部分),在这一区域 晶体 工作在并联谐振状态(译注:该区域就是 晶体 的正常工作区域,F a -F s 就是晶振的带宽。带宽越窄, 晶体 品质因素越高,振荡频率越稳定)。在此区域 晶体 呈电感特性,从而带来了相当于180 °的相移。

其频率F P (或者叫F L :负载频率)表达式如下:

从表达式(4),我们知道可以通过调节负载电容C L 来微调振荡器的频率,这就是为什么 晶体 制造商在其产品说明书中会指定外部负载电容C L 值的原因。通过指定外部负载电容C L 值,可以使晶体振荡时达到其标称频率。

下表给出了一个例子来说明如何调整外部参数来达到 晶体 电路的8MHz标称频率:

使用表达式(2)、(3)和(4),我们可以计算出该 晶体 的F s 、F a 及F P :

F s = 7988768Hz,F a = 8008102Hz

如果该 晶体 的C L 为10pF,则其振荡频率为:F P = 7995695Hz。

要使其达到准确的标称振荡频率8MHz,C L 应该为4.02pF。

2、振荡器原理

实际上,在这种条件下的放大器是非常不稳定的,任何干扰进入这种正反馈闭环系统都会使其不稳定并引发振荡启动。干扰可能源于上电,器件禁用/使能的操作以及 晶体 热噪声等. 。同时必须注意到,只有在 晶体 工作频率范围内的噪声才能被放大,这部分相对于噪声的全部能量来说只是一小部分,这也就是为什么晶体振荡器需要相当长的时间才能启动的原因。

3 Pierce 振荡器

4 Pierce 振荡器设计

反馈电阻 反馈电阻R F

在大多数情况下,反馈电阻R F 是内嵌在振荡器电路内的(至少在ST的MCU中是如此)。它的作用是通过引入反馈使反向器的功能等同于放大器。Vin和Vout之间增加的反馈电阻使放大器在Vout= 提供的一些振荡器 Vin时产生偏置,迫使反向器工作在线性区域(图5中阴影区)。该放大器放大了 晶体 的正常工作区域内的在并联谐振区内的噪声(例如晶振的热噪声)(译注:工作在线性区的反向器等同于一个反向放大器),从而引发 晶体 起振。在某些情况下,如果在起振后去掉反馈电阻R F ,振荡器仍可以继续正常运转。

负载电容 负载电容C L

负载电容C L 是指连接到 晶体 上的终端电容。C L 值取决于外部电容器C L1 和C L2 ,刷电路板上的杂

散电容(C s )。C L 值由由 晶体 制造商给出。保证振荡频率精度,主要取决于振荡电路的负载电容与

给定的电容值相同,保证振荡频率稳定度主要取决于负载电容保持不变。外部电容器C L1 和C L2

可用来调整CL,使之达到 晶体 制造商的标定值。

即:C L1 = 提供的一些振荡器 C L2 = 20pF

振荡器的增益裕量

根据Eric Vittoz的理论(译注:具体可参考Eric A. Vittoz et al., 'High-Performance Crystal Oscillator Circuits: Theory and Application', IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, No. 3,pp. 774-782, Jun. 1988),放大器和两个外部电容的阻抗对晶体的RLC动态等效电路的电抗有补偿作用。

基于这一理论,反向器跨导(gm)必须满足:gm > gmcrit 。在这种情况下才满足起振的振荡条件。为保证可靠的起振,增益裕量的最小值一般设为5。

频率 = 8MHz,C 0 = 7pF,C L = 10pF,ESR 提供的一些振荡器 = 80 Ω

如果不能满足增益裕量起振条件(即增益裕量Gain margin 小于5, 晶体 无法正常起振),应尝试选择一种ESR较低或/和C L 较低的 晶体 。

5 提供的一些振荡器 关于PCB的建议

1. 外部杂散电容和电感要控制在一个尽可能小的范围内,从而避免 晶体 进入非正常工作模式或引起起振不正常等问题。另外,振荡器电路旁边要避免有高频信号经过。

3. 接地平面用于信号隔离和减少噪声。例如:在 晶体 的保护环(译注:(Guard ring),指器件或走线外围成一圈用于屏蔽干扰的导线环,一般要求理论上没有电流从该导线环上经过)下直接敷地有助于将 晶体 和来自其他PCB层的噪声隔离开来。要注意接地平面要紧临 晶体 但只限于 晶体 下面,而不要将此接地平面敷满整个PCB板(见图7)。

4. 像图7所示来布地线是一个好的作法。这种布线方法将振荡器的输入与输出隔离开来,同时也将振荡器和临近的电路隔离开来。所有的V SS 过孔不是直接连到地平面上(除 晶体 焊盘之外),就是连接到终端在C L1 和C L2 下方的地线上。