硅振蕩器取代晶體和陶瓷諧振器

摘要：硅振蕩器能夠替代大多數(shù)微控制器電路中的晶體和陶瓷諧振器。除了其抗振動(dòng)、抗沖擊及抗EMI等優(yōu)點(diǎn)外，硅定時(shí)器件比晶體和陶瓷諧振器更小且更容易使用。該應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了如何用硅振蕩器件代替普通的晶體和陶瓷諧振器。

引言

對(duì)于大多數(shù)微控制器的時(shí)鐘要求而言，硅振蕩器是一種簡(jiǎn)單而有效的解決方案。與晶體和陶瓷諧振器不同的是，硅定時(shí)器件對(duì)于振動(dòng)、沖擊和電磁干擾(EMI不敏感。此外，硅振蕩器不需要精心匹配定時(shí)元件或嚴(yán)格的電路板布線。

在實(shí)際應(yīng)用中，除了一些環(huán)境因素外，時(shí)鐘源的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常依據(jù)四個(gè)基本條件：精度、供電電壓、尺寸和噪聲。精度需求通常取決于特定應(yīng)用所采用的通信標(biāo)準(zhǔn)。例如，高速USB需要±0.25%的總體時(shí)鐘精度。相比之下，無(wú)需外部通信的系統(tǒng)可能只需5%、10%、甚至20%的時(shí)鐘源精度便能很好地工作。

硅振蕩器與晶體或陶瓷諧振器的比較

微控制器時(shí)鐘的供電電壓典型范圍是1V至5.5V，而硅振蕩器典型的供電電壓范圍為2.4V至5.5V。

時(shí)鐘噪聲受許多因素的影響，包括放大器的噪聲、電源噪聲、線路板布線、以及振蕩元件固有的噪聲抑制特性等(或品質(zhì)因數(shù)“Q”）。晶體的Q值很高，一般而言產(chǎn)生的噪聲最小，特別適合用于要求低基帶噪聲的系統(tǒng)中，例如音頻CODEC。

然而，硅振蕩器占據(jù)的空間最小，而且不需要附加的定時(shí)元件。對(duì)于大多數(shù)硅振蕩器來(lái)說(shuō)，所需的外部元件通常只有一個(gè)電源旁路電容。

皮爾斯振蕩器

晶體和陶瓷諧振器大多被用在皮爾斯振蕩器中，其中晶體或諧振器作為調(diào)諧元件用在反相放大器的反饋中。為了使電路穩(wěn)定，需要另加電容和電阻來(lái)進(jìn)行相移補(bǔ)償和增益控制。此外，還須用電阻提供一定的阻尼，以防過(guò)驅(qū)動(dòng)造成晶體或諧振器永久損壞。

圖1給出了兩個(gè)皮爾斯振蕩器的實(shí)例。圖1a是一個(gè)典型的晶體振蕩電路，使用外部電容和電阻。圖1b則是一個(gè)基于三端陶瓷諧振器的皮爾斯振蕩器，陶瓷諧振器中集成了補(bǔ)償電容。這些設(shè)計(jì)中的每一個(gè)元件的值與工作頻率、供電電壓、反相器的類型、元件類型(晶體或諧振器)以及制造商有關(guān)。


圖1. 采用晶體和三端陶瓷諧振器的皮爾斯振蕩器

皮爾斯振蕩器最常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方法是用一個(gè)CMOS非門做為放大器。雖然這種方案的穩(wěn)定性和功耗性能通常比不上基于晶體管的振蕩器，但是，基于CMOS反相器的電路比較簡(jiǎn)單，而且在許多情況下非常實(shí)用。帶緩沖和無(wú)緩沖反相器都能用于放大元件，其中首選無(wú)緩沖的反相器，因?yàn)樗鼈児ぷ鞯酶€(wěn)定，雖然也伴隨著功耗的增加。無(wú)緩沖門沒(méi)有強(qiáng)大的輸出級(jí)，所以要驅(qū)動(dòng)電路板上的長(zhǎng)走線時(shí)必須使用標(biāo)準(zhǔn)反相器加以緩沖。

硅振蕩器的優(yōu)點(diǎn)

硅振蕩器，這種完全集成的振蕩元件是最簡(jiǎn)單的時(shí)鐘源。這些器件可產(chǎn)生規(guī)定頻率的方波，可直接送入微控制器(μC)的時(shí)鐘輸入。硅振蕩器并不依賴于機(jī)械共振特性來(lái)獲得振蕩頻率，而是基于一個(gè)內(nèi)部的RC時(shí)間常數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)使硅器件對(duì)于外部機(jī)械作用不敏感。而且，與傳統(tǒng)振蕩器不同的是，沒(méi)有裸露在外的高阻抗節(jié)點(diǎn)，這樣使硅振蕩器可以承受更大的濕度和EMI影響。

硅振蕩器的應(yīng)用

如果用硅振蕩器代替晶體或陶瓷諧振器，首先可以去掉和振蕩電路相關(guān)的所有元件。這通常包括一到兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容(如果它們未被包含在諧振器封裝內(nèi)）。振蕩器可以安裝在適當(dāng)?shù)奈恢?，然后將其時(shí)鐘輸出引到微控制器(μC)時(shí)鐘輸入(OSC1)引腳。振蕩器的電源應(yīng)該來(lái)自于驅(qū)動(dòng)μC時(shí)鐘輸入電路的電源。

圖2和圖3給出了這種設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例，其中顯示的是用于MC68HC908 μC的振蕩電路。圖2為推薦電路，三端陶瓷諧振器。圖3為采用硅振蕩器的電路，本例采用MAX7375，SC70封裝，包括引腳在內(nèi)的外形尺寸僅為2.0mm x 2.1mm。


圖2. MC68HC908 μC采用基于三端諧振器的振蕩器


圖3. MC68HC908 μC采用MAX7375硅振蕩器

硅振蕩器在電路板上的布局通常沒(méi)有很高的要求，因?yàn)檫@種器件輸出的是低阻抗方波，它能夠在電路板上傳送足夠的距離，且無(wú)須顧慮其他信號(hào)對(duì)它的干擾。硅振蕩器能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)器件。和任何其他高速信號(hào)一樣，硅振蕩器的時(shí)鐘輸出在驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。靠近時(shí)鐘發(fā)生器的引腳，在每路時(shí)鐘信號(hào)上串連一個(gè)電阻可以降低這種輻射。如圖4所示，MAX7375驅(qū)動(dòng)兩路時(shí)鐘電路時(shí)，每條時(shí)鐘線上都串入了一個(gè)電阻。


圖4. 串聯(lián)電阻減小電磁輻射