采用Maxim實時時鐘的晶體考慮因素

本應用筆記介紹了將32，768Hz晶體連接到實時時鐘（RTC）的晶體選擇和布局技術(shù)。它還提供有關(guān)振蕩器電路設計標準、系統(tǒng)設計和制造問題的信息。

振蕩器基礎知識

Maxim RTC中使用的振蕩器是Pierce型振蕩器的CMOS反相變變體。圖 1 顯示了一般配置。這些 RTC 包括集成負載電容器 （CL1 和 CL2）和偏置電阻。皮爾斯振蕩器利用在并聯(lián)諧振模式下工作的晶體。在并聯(lián)諧振模式下使用的晶體被指定為具有特定負載電容的特定頻率。為了使振蕩器以正確的頻率運行，振蕩器電路必須為晶體加載正確的容性負載。

圖1.帶有內(nèi)部負載電容器和偏置電阻的RTC振蕩器。

準確性

基于晶體的振蕩器電路的頻率精度主要取決于晶體的精度以及晶體與振蕩器容性負載之間的匹配精度。如果容性負載小于晶體設計，則振蕩器運行速度很快。如果容性負載大于晶體的設計用途，則振蕩器運行緩慢。

除了晶體誤差和負載匹配之外，晶體還隨著環(huán)境溫度的變化而改變其基本頻率。Maxim RTC使用“音叉”晶體，其在整個溫度范圍內(nèi)存在誤差，如圖2所示。20ppm 的誤差相當于每月大約 1 分鐘。

圖2.晶體頻率與溫度的關(guān)系。

注意：如果需要更好的精度，可以使用TCXO，如DS32kHz。

晶體參數(shù)

圖3顯示了晶體的等效電路。在諧振頻率附近，電路由一個串聯(lián)電路組成，包括運動電感L1，運動阻力R1和運動電容C1.平行組件CO是晶體的分流電容。

圖3.晶體等效電路。

負載電容CL是從晶體引腳上看到的振蕩電路的容性負載。圖 4 顯示 CL作為與晶體并聯(lián)的電容。振蕩器電路中使用的負載電容器，CL1 和 CL如圖2所示，加上電路中的任何雜散電容，組合起來就產(chǎn)生整體負載電容。所有Maxim RTC都集成了C CL1 和 CL2 個電容器。應注意盡量減少印刷電路板（PCB）布局中的雜散電容。以下公式顯示了 C 之間的關(guān)系L和負載電容值：

CL = [(CL1 × CL2)/(CL1 + CL2) + CSTRAY]

圖4.晶體負載電容器和等效并聯(lián)負載。

大多數(shù)晶體允許的最大驅(qū)動電平為1μW。所有Maxim RTC均在1μW以下工作。 驅(qū)動電平可以 使用以下公式確定：

P = 2R1 × [π × 32,768(CO + CL)VRMS]2

其中VRMS是晶體兩端電壓的均方根值。

振蕩器啟動時間

振蕩器啟動時間高度依賴于晶體特性、PCB 泄漏和布局。高ESR和過大的容性負載是導致啟動時間長的主要原因。使用具有推薦特性和正確布局的晶體的電路通常在一秒鐘內(nèi)開始。

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注 1：某些器件允許更高的 ESR 值，請查看數(shù)據(jù)表以了解具體要求。

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注意：圓柱型尺寸為槍管直徑和長度，不包括引線。所有尺寸都近似值。

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功耗

許多 RTC 設計為由電池供電。在典型應用中，小型鋰電池 可用于在主電源關(guān)閉時運行振蕩器和時鐘電路。最大化電池 生活中，振蕩器必須使用盡可能少的功率運行。為此，需要進行一些設計權(quán)衡 必須制作。

負電阻

對于典型的高頻振蕩器電路，通常電路設計為ESR的5倍或10倍裕量。低頻晶體通常具有較高的ESR。RTC 振蕩器的負電阻裕量可能小于 2 倍。低裕量振蕩器電路通常消耗較少的電流。因此，RTC振蕩器通常對相對少量的雜散泄漏、噪聲或ESR升高很敏感。

該 CL的振蕩器電路會影響功耗。具有12.5pF內(nèi)部負載的RTC比具有6pF負載的RTC消耗更多的功率。但是，具有12.5pF負載電容的振蕩器通常不太容易受到噪聲的影響。

晶體布局指南

由于Maxim RTC的晶體輸入具有非常高的阻抗（約109Ω），晶體引線就像非常好的天線，將高頻信號與系統(tǒng)其余部分耦合。如果信號耦合到晶體引腳上，它可以抵消或增加脈沖。由于電路板上的大多數(shù)信號的頻率比32.768kHz晶體高得多，因此更有可能在不需要的地方添加脈沖。這些噪聲脈沖被計為額外的時鐘“滴答聲”，并使時鐘看起來運行得很快。

以下步驟說明了如何確定噪聲是否導致RTC快速運行：

系統(tǒng)通電并將RTC同步到已知的精確時鐘。

關(guān)閉系統(tǒng)電源。

等待一段時間（兩小時、24 小時等）。時間段越長，越容易 測量時鐘的精度。

再次打開系統(tǒng)，讀取時鐘，并與已知的準確時鐘進行比較。

將 RTC 重新同步到已知的精確時鐘。

保持系統(tǒng)通電并等待與步驟 3 中的時間相等的一段時間。

等待上述時間段后讀取時鐘，并將其與已知的準確時鐘進行比較。

通過使用上述步驟，可以確定系統(tǒng)通電和斷電時時鐘的精度。如果時鐘在系統(tǒng)上電時被證明不準確，但在系統(tǒng)斷電時被證明是準確的，則問題很可能是由于系統(tǒng)中其他信號的噪聲引起的。但是，如果系統(tǒng)通電和斷電時時鐘都不準確，則問題不是由于系統(tǒng)噪聲引起的。

由于噪聲可能會耦合到晶體引腳上，因此在PCB布局上放置外部晶體時必須小心。遵循一些關(guān)于在PCB布局上放置晶體的基本布局指南非常重要，以確保額外的時鐘周期不會耦合到晶體引腳上。

將晶體放置在盡可能靠近 X1 和 X2 引腳的位置非常重要。保留跟蹤 晶體和RTC之間的長度盡可能小，從而降低噪聲耦合的可能性，從而降低噪聲耦合的可能性 減少天線的長度。保持走線長度小還可以減少雜散量 電容。

保持晶體鍵合焊盤和 X1 和 X2 引腳的走線寬度盡可能小。較大的 這些焊盤和走線，噪聲越有可能從相鄰信號耦合。

如果可能，在晶體周圍放置一個保護環(huán)（接地）。這有助于隔離晶體 來自相鄰信號耦合的噪聲。有關(guān)在周圍使用保護環(huán)的說明，請參見圖 2 水晶。

盡量確保其他PCB層上沒有信號直接在晶體下方或晶體下方運行 跟蹤到 X1 和 X2 引腳。晶體與電路板上其他信號隔離得越多，越少 很可能是噪聲耦合到晶體中。兩者之間應至少有 0.200 英寸 連接到 X1 或 X2 的任何數(shù)字信號和任何跡線。RTC 應與任何 產(chǎn)生電磁輻射 （EMR） 的組件。對于分立式和模塊類型也是如此 實時協(xié)議庫。

在緊靠 晶體。這有助于將晶體與其他PCB層上的信號的噪聲耦合隔離開來。請注意，接地層只需要在晶體附近，而不是在 整個董事會。有關(guān)本地接地層的示意圖，請參見圖5。請注意，周長 接地層不需要大于保護環(huán)的外圍。

請注意，使用本地接地層時必須小心，因為它會引入雜散電容。走線/焊盤和接地層之間的電容被添加到內(nèi)部負載電容器（CL1 和 CL2）. 因此，在考慮增加本地接地層時，必須考慮一些因素。例如，接地層引起的電容可以用 以下等式：

C = εA/t，其中
ε = PCB 的介電常數(shù) A = 走線/焊盤的面積
t = PCB
層的厚度

因此，要確定接地層是否適合給定設計，必須考慮上述參數(shù)，以確保來自本地接地層的電容不足以減慢時鐘速度。

圖5.推薦的水晶布局。

檢查振蕩

設計人員在檢查振蕩器工作時遇到的第一個脈沖通常是將示波器探頭連接到振蕩器輸入 （X1） 或輸出 （X2） 引腳。使用實時時鐘時，不建議這樣做。由于振蕩器設計為以低功耗運行（這延長了電池的工作時間），因此用示波器探頭加載振蕩器可能會使振蕩器停止。如果振蕩器不停止，額外的負載會降低信號幅度，并可能導致不穩(wěn)定的操作，例如幅度變化。因此，應間接驗證振蕩。

振蕩可以通過多種方式進行驗證。一種方法是多次讀取秒寄存器，尋找要遞增的數(shù)據(jù)。在帶有振蕩器停止標志 （OSF） 的 RTC 上，清除并監(jiān)視此位可驗證振蕩器是否已啟動并持續(xù)運行。如果設計人員正在對設計進行故障排除并且無法與RTC通信，則這些方法不起作用。另一種方法是檢查具有方波輸出的RTC上的方波輸出。檢查數(shù)據(jù)手冊，驗證是否必須首先寫入RTC才能使能振蕩器和方波輸出。請注意，大多數(shù)RTC方波輸出均為漏極開路，需要一個上拉電阻才能工作。方波輸出也可用于驗證RTC的精度，但是，必須使用具有足夠精度的頻率計數(shù)器。

快速時鐘

以下是導致基于晶體的 RTC 快速運行的最常見情況。

噪聲從相鄰信號耦合到晶體中。這個問題已經(jīng)被廣泛報道 以上。噪聲耦合通常會導致RTC嚴重不準確。

錯誤的水晶。如果晶體具有指定的負載電容（CL） 大于 RTC 規(guī)定的負載電容。不準確的嚴重程度取決于 C 的值L.例如，使用帶有 C 的晶體L在采用 12pF C 設計的 RTC 上為 6pFL導致 RTC 每月快約 3 到 4 分鐘。

慢時鐘

以下是導致基于晶體的 RTC 運行緩慢的最常見情況。

RTC 輸入引腳上的過沖。通過定期停止振蕩器，可能會導致RTC運行緩慢。這可以通過RTC的噪聲輸入信號無意中實現(xiàn)。如果輸入信號上升到大于高于V的二極管壓降（~0.3V）的電壓DD，輸入引腳的ESD保護二極管將正向偏置，允許基板充滿電流。這反過來又使振蕩器停止，直到輸入信號電壓降至V以上的二極管壓降以下。DD.

錯誤的水晶。如果具有指定 C 的晶體，則 RTC 通常運行緩慢L小于 CL的 RTC。不準確的嚴重程度取決于 C 的值L.

雜散電容。晶體引腳之間和/或接地之間的雜散電容會降低RTC的速度。因此，在設計PCB布局時必須小心，以確保雜散電容保持在最低水平。

溫度。工作溫度離晶體周轉(zhuǎn)溫度越遠，晶體振蕩越慢。參見圖 3 和圖 4。

時鐘不運行

以下是導致 RTC 無法運行的最常見情況。

時鐘不運行時最常見的一個問題是時鐘停止（CH）或使能振蕩器（EOSC）位未按要求設置或清除。許多Maxim RTC都包含一個電路，可防止振蕩器在首次通電時工作。這允許系統(tǒng)等待發(fā)貨給客戶，而無需從備用電池獲取電力。當系統(tǒng)首次通電時，軟件/固件必須啟用振蕩器并提示用戶輸入正確的時間和日期。

表面貼裝晶體可能有一些常閉（無連接）引腳。確保晶體中的正確引腳連接到 X1 和 X2 引腳。

晶體制造問題

音叉晶體不應暴露于超聲波清洗。它們?nèi)菀资艿焦舱裾駝拥膿p壞。

晶體不應暴露在高于其最大額定值的溫度下。暴露在過高的溫度下可能會損壞晶體，并且通常會增加 ESR。晶體“罐”不應焊接到PCB上。這樣做有時是為了將晶體的情況接地。直接焊接到晶體外殼上通常會使設備承受過高的溫度。

RTC通常應在非冷凝環(huán)境中使用。振蕩器導體周圍形成的水分會導致泄漏，從而導致振蕩器停止。保形涂層可用于保護電路，但是，保形涂層本身可能會導致問題。

一些保形涂料，尤其是環(huán)氧基材料，可能具有不可接受的離子污染水平。此外，如果在敷形涂覆之前未充分清潔 PC 板表面，保形涂層會導致污染物集中在引線和走線周圍。

助焊劑殘留會導致引腳之間泄漏。RTC振蕩器電路由于其低功耗工作而對泄漏特別敏感。振蕩器輸入和輸出之間的泄漏或接地泄漏通常會使振蕩器無法運行。