晶振電路設(shè)計(jì)訣竅，工程師必備技巧!

晶振作為時(shí)鐘電路中必不可少的信號(hào)傳遞者，單片機(jī)要想正常運(yùn)作就需要晶振存在。因此，在電子電路設(shè)計(jì)中也少不了晶振的參與。一個(gè)好的晶振電路設(shè)計(jì)，是能夠?yàn)殡娮犹峁┳詈玫目臻g利用率，同時(shí)發(fā)揮最大的功能性作用。

振蕩原理

振蕩器是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)的帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。從能量的角度來(lái)說(shuō)，正弦波振蕩器是通過(guò)自激方式把直流電能轉(zhuǎn)換為特定頻率和幅度的正弦交變能量的電路。對(duì)于任何一個(gè)帶有反饋的放大電路，都可以畫(huà)成下圖所示結(jié)構(gòu)：

▲圖1 振蕩器

當(dāng)增益滿(mǎn)足∣f∣×∣a∣≥1，且相位條件滿(mǎn)足α+β=2πn時(shí)，構(gòu)成正反饋環(huán)路，起振條件得以滿(mǎn)足。上圖即構(gòu)成一個(gè)振蕩器。

晶振原理

當(dāng)在晶體兩端加上一定的交變電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制的一種諧振器件，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。同時(shí)這個(gè)機(jī)械形變又會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的交變電壓，并且其特征頻率下的振幅比其他頻率點(diǎn)的振幅大得多。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，為了得到低的起振電壓和短的起振時(shí)間，在晶體兩端施加的交變電壓的頻譜能量應(yīng)主要集中在晶體的特征頻率附近。

▲圖2 晶振等效電路

在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振。石英晶體振蕩器的等效電路如圖2所示。當(dāng)用石英晶體組成并聯(lián)諧振電路時(shí)，晶體表現(xiàn)為感性，其等效品質(zhì)因數(shù)Q值很高。等效阻抗頻率特性如圖3所示。

▲圖3 晶振等效阻抗

圖3中，F(xiàn)r為串聯(lián)諧振點(diǎn)。在頻率為Fr = 1/(2π√LC)時(shí)，圖2中串聯(lián)的L、C諧振，串聯(lián)支路等效為一個(gè)純電阻。Fa為并聯(lián)諧振點(diǎn)，此時(shí)串聯(lián)支路等效為電感，與并聯(lián)的C0諧振，F(xiàn)a= Fr√1+C/C0。此時(shí)等效阻抗趨于無(wú)窮大。通常這兩個(gè)頻率點(diǎn)之間的差值很小。

總的來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為晶振在串聯(lián)諧振時(shí)表現(xiàn)為電阻，在并聯(lián)諧振時(shí)表現(xiàn)為電感。這里建議設(shè)計(jì)時(shí)采用并聯(lián)諧振。

電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。

皮爾斯振蕩器

倒相器作為放大器，同時(shí)提供180度的相移。而晶振及負(fù)阻電容作為反饋回路，提供剩下的180度相移。RF為反饋電阻，用來(lái)決定倒相器的直流工作點(diǎn)，使之工作在高增益區(qū)(線(xiàn)性區(qū))。這個(gè)電阻值不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致環(huán)路無(wú)法振蕩。該電路利用晶振的并聯(lián)諧振，由于并聯(lián)諧振與C0有關(guān)，會(huì)受寄生電容影響，因此增加負(fù)載電容C1、C2，可減小C0對(duì)諧振頻率的影響。同時(shí)C1、C2的加入會(huì)影響起振時(shí)間和振蕩頻率的準(zhǔn)確度。負(fù)載電容的選擇，應(yīng)根據(jù)晶振供應(yīng)商提供的datasheet的數(shù)值選擇。在許可范圍內(nèi)，負(fù)載電容值越低越好。容值偏大雖有利于振蕩器的穩(wěn)定，但將會(huì)增加起振時(shí)間。

▲圖4 皮爾斯振蕩器電路

Rs用于抑制高次諧波，從而使振蕩器獲得較為純凈的頻譜。Rs的值若太小的話(huà)，可能會(huì)導(dǎo)致晶振的過(guò)分驅(qū)動(dòng)(overdrive)，導(dǎo)致晶振損壞或壽命減短。通常取Rs=XC2。Rs的影響可以由下圖看出。

▲圖5 Rs的影響（來(lái)自參考資料）

電路設(shè)計(jì)

如圖6，PM0和NM0構(gòu)成倒相器，與片外電路共同組成振蕩環(huán)路。PM7~PM9和NM7~NM9組成施密特觸發(fā)器，對(duì)波形進(jìn)行整形和放大。輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)兩級(jí)倒相器，以提高輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)能力。

▲圖6 xtal電路原理圖

仿真結(jié)果演示

Rs小的時(shí)候，在同樣的激勵(lì)電壓下，波形幅度比Rs大的情況小很多，導(dǎo)致XC輸出為一根直線(xiàn)。

▲XOUT

▲圖7 XOUT和XC的波形圖

晶振設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在低功耗設(shè)計(jì)中晶體的選擇非常重要，尤其帶有睡眠喚醒的系統(tǒng)，往往使用低電壓以求低功耗。由于低供電電壓使提供給晶體的激勵(lì)功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時(shí)并不特別明顯，上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時(shí)，電路的擾動(dòng)要比上電時(shí)小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過(guò)激勵(lì)(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(lì)(不容易起振)。

晶體的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)要素：諧振頻點(diǎn)、負(fù)載電容、激勵(lì)功率、溫度特性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性。換句話(huà)說(shuō)，晶振可靠性工作不僅受到負(fù)載電容的影響。對(duì)于負(fù)載電容的選擇，應(yīng)根據(jù)晶振供應(yīng)商提供的datasheet的數(shù)值選擇。在許可范圍內(nèi)，負(fù)載電容值越低越好。容值偏大雖有利于振蕩器的穩(wěn)定，但將會(huì)增加起振時(shí)間。有的晶振推薦電路甚至需要串聯(lián)電阻RS，它一般用來(lái)來(lái)防止晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。過(guò)分驅(qū)動(dòng)晶振會(huì)漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升，造成頻率偏移，加速老化。

設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

01首先要選擇一個(gè)低的等效串聯(lián)電阻的晶體。晶體串聯(lián)電阻低有利于解決起振的問(wèn)題。因?yàn)榈偷木w等效阻值有利于增加環(huán)路增益。

02通過(guò)縮短印制電路板的連線(xiàn)間距來(lái)減低寄身電容。從而可以幫助解決起振問(wèn)題和晶振頻率穩(wěn)定度的問(wèn)題。

03應(yīng)該保持對(duì)晶振應(yīng)用溫度和電壓范圍保持監(jiān)控，從而保持晶體起振頻率有必要的話(huà)要調(diào)整電容電阻的值。

04想要得到最佳效果，晶振設(shè)計(jì)應(yīng)該采用Vdd峰峰值的至少40%作為驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘反相器的輸入信號(hào)。僅僅調(diào)節(jié)晶振兩端是不能達(dá)到這一要求的。我們也可以參考晶振制造商的使用說(shuō)明來(lái)獲得關(guān)于晶振設(shè)計(jì)進(jìn)一步的幫助。

05對(duì)于推薦最優(yōu)化的R1的阻值可以這樣得到，首先計(jì)算電容C1，C2的值，然后在R1的位置上設(shè)置一個(gè)電位計(jì)，將電位計(jì)的初始值設(shè)置為XC1。這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)來(lái)保證在所需要的頻率下起振以及維持晶體穩(wěn)態(tài)振蕩。