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晶振選型設(shè)計(jì)必須重視的地方
晶振選型設(shè)計(jì)必須重視的地方幾乎所有使用MCU的產(chǎn)品,外圍電路都離不開晶振電路設(shè)計(jì),大多數(shù)電子設(shè)計(jì)人員從入門開始都會接觸到晶振電路,但實(shí)際上,很少有人真正了解晶振電路是如何工作的,在
幾乎所有使用MCU的產(chǎn)品,外圍電路都離不開晶振電路設(shè)計(jì),大多數(shù)電子設(shè)計(jì)人員從入門開始都會接觸到晶振電路,但實(shí)際上,很少有人真正了解晶振電路是如何工作的,在晶振出現(xiàn)問題之前,多數(shù)人不會付出太多精力去關(guān)注振蕩器電路設(shè)計(jì)是否合理,通常等到產(chǎn)品量產(chǎn),由于晶振而導(dǎo)致的大面積宕機(jī)現(xiàn)象時(shí),才開始注意到晶振電路設(shè)計(jì)是否合理。
晶振的全稱叫:石英晶體振蕩器。是利用石英晶體的壓電效應(yīng)廠商高精度振蕩頻率的一種電子元件。查看維基百科,對于這種神奇的材料具體的講解是:
晶體是指其中的原子、分子、或離子以規(guī)則、重復(fù)的模式朝各方向延伸的一種固體。晶體與幾乎所有的彈性物質(zhì)都具有自然共振頻率,透過適當(dāng)?shù)膫鞲衅骺杉右岳?。共振頻率取決于晶體的尺寸、形狀、彈性、與物質(zhì)內(nèi)的音速。高頻用的晶體通常是切成簡單的形狀,如方形片狀。運(yùn)用石英晶體上的電極對一顆被適當(dāng)切割并安置的石英晶體施以電場時(shí),晶體會產(chǎn)生變形。這就是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電場移除時(shí),石英晶體會恢復(fù)原狀并發(fā)出電場,因而在電極上產(chǎn)生電壓。這樣的特性造成石英晶體在電路中的行為,類似于某種電感器、電容器、與電阻器所組合成的RLC電路。組合中的電感電容諧振頻率則反映了石英晶體的實(shí)體共振頻率。
石英晶體等效模型:
Cp:等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容(譯注:也叫并電容,靜電電容,其值一般僅與晶振的尺寸有關(guān))。
Ls:(動態(tài)等效電感)代表晶振機(jī)械振動的慣性。
Cs:(動態(tài)等效電容)代表晶振的彈性。
Rs:(動態(tài)等效電阻)代表電路的損耗
了解晶振電路的設(shè)計(jì),首先你要熟悉Pierce(皮爾斯)振蕩器電路。該模型電路簡單,工作有效而且穩(wěn)定,因此現(xiàn)今幾乎所有的晶振電路設(shè)計(jì)都采用這個模型。如下,該設(shè)計(jì)包含一個反相器、一個電阻、一個石英晶體、兩個小電容。石英晶體在此扮演高選擇度的濾波元件:
Inv:內(nèi)部反相器器,作用等同于放大器。
Q:石英或陶瓷晶振。
Rf:內(nèi)部反饋電阻(譯注:它的存在使反相器工作在線性區(qū), 從而使其獲得增益,作用等同于放大器)。
RExt:外部限流電阻。
CL1和CL2:兩個外部負(fù)載電容。
Cs:由于PCB布線及連接等寄生效應(yīng)引起的等效雜散電容(OSC_IN和OSC_OUT管腳上)
接下來,我們重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)部反饋電阻Rf、負(fù)載電容Cl、外部限流電阻Rext——
反饋電阻Rf
皮爾斯振蕩器中,連接晶振的芯片內(nèi)部是一個線性的運(yùn)算放大器,由于運(yùn)算放大器的電壓增益非常大,范圍從數(shù)百到數(shù)萬倍不等,因此通常使用運(yùn)算放大器會將輸出端與反向輸入端連接形成一個負(fù)反饋組態(tài)(即閉環(huán)放大器)。皮爾斯振蕩器中的反饋電阻Rf可以看成是反相器的偏壓電阻,可以令反相器工作在線性區(qū)域而不至于由于增益過大而工作在完全導(dǎo)通或截止的狀態(tài)。
大多數(shù)情況下,Rf是內(nèi)嵌在芯片內(nèi)部中,但不排除有些芯片的設(shè)計(jì)并未內(nèi)嵌這個電阻,因此在這種情況下,你會看到有些晶振電路的外部并聯(lián)著一個電阻。不同頻率對應(yīng)的反饋電阻參考值:
負(fù)載電容CL
負(fù)載電容指連接到晶振上的終端電容,該終端電容包括:外部電容CL1和CL2、印刷電路板上的雜散電容(Cs)。CL的值是晶振本身決定,供應(yīng)商會在規(guī)格書中給出,當(dāng)晶振外部等效電容等于負(fù)載電容CL時(shí),無源晶振輸出的頻率準(zhǔn)確。
CL=(CL1//CL2)+CS
即:CL=[(CL1xCL2)/(CL1+CL2)]+CS
需要注意的是:電容具有充放電的功能,電容容值越大,放電越慢,電容容值越小,放電越快。因此實(shí)際調(diào)試中,如果測得的實(shí)際頻率比理論值偏小,說明振蕩器振蕩頻率偏慢,電容的放電太慢,等效電容大于負(fù)載電容,需要降低外部的匹配電容
外部電阻Rext
在開始闡釋外部電阻之前,我們需要再了解兩個概念:振蕩器增益余量gain、驅(qū)動級別DL——
增益余量gain:表征振蕩電路的放大能力
驅(qū)動級別DL:表征晶振的驅(qū)動功耗
早在1988年, Eric Vittoz發(fā)表了晶振RLC動態(tài)等效電路的相關(guān)理論研究,基于前人的理論,反相器跨導(dǎo)gm必須大于gmcrit才能滿足起振條件,為保證可靠性,還必須滿足至少5倍的關(guān)系;即:gmargin = gm / gmcrit
其中,gmcrit = 4 x ESR x (2πF)2 x (C0 + CL)2,ESR、C0、CL都可以從晶振規(guī)格書中獲取,gm從芯片規(guī)格書中獲得;
驅(qū)動級別DL描述的是晶振的功耗,晶振的功耗必須限制在一定范圍內(nèi),否則石英晶體可能會由于過度機(jī)械振動而導(dǎo)致不能正常工作。
DL = ESR x I2,其中ESR為晶振的等效串聯(lián)電阻,I為流過晶振的電流的均方根有效值;
你必須讓DL值小于晶振規(guī)格書中限定的DL值,如果實(shí)際DL值較高,則需要Rext電阻對驅(qū)動功率進(jìn)行限制。
對于I的測量需要電流探頭進(jìn)行測量,而且由于驅(qū)動電流一般比較小,因此需要1mA/mV檔,實(shí)際操作中,你可能并沒有分辨率這么高的電流探頭,那么你可以通過觀測晶振引腳輸出波形的形狀進(jìn)行確認(rèn),具體方法我們在下面講。
當(dāng)你能耐心看到這里,對于晶振設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)概念、計(jì)算已經(jīng)都了解過,接下來,可以搬上我們終的晶振設(shè)計(jì)步驟:
步:增益余量的計(jì)算
gmcrit = 4 x ESR x (2πF)2 x (C0 + CL)2,ESR、C0、CL都可以從晶振規(guī)格書中獲取,gm從芯片規(guī)格書中獲得;gmargin = gm / gmcrit ,
若gmargin<5,說明這不是一個合格的晶振,你該去挑選一個更低ESR或CL值的晶振;
若gmargin>5,進(jìn)行第二步;
第二步:外部負(fù)載電容計(jì)算
CL=(CL1//CL2)+CS
即:CL=[(CL1xCL2)/(CL1+CL2)]+CS
CL為晶振規(guī)格書給出的負(fù)載電容,CL1,CL2為所要計(jì)算的外部電容,CS為雜散電容(可粗略使用4pf進(jìn)行計(jì)算)
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