晶振作為電路中必不可少的電子元件,被應用于各種設(shè)備.為了更好的服務廣大用戶,了解晶振的各項參數(shù)信息以及使用注意事項能夠達到最佳效益.以下文中介紹了晶體振蕩器類型以及MCU系列設(shè)備,并且為振蕩器的電路選擇正確的組件準則.

Silicon公司的MCU系列器件包含兩個晶體振蕩器,一種是低速32.768KHZ,另外一種是高速4-50MHZ的.當然更多參數(shù)信息歡迎參照數(shù)據(jù)表,下面我們一起了解為不同設(shè)備推薦晶振使用和注意事項.涵蓋的主題包括晶體振蕩器理論和一些設(shè)備的推薦晶體.

•晶體振蕩器更加精確和穩(wěn)定,不過價格稍貴并且相較于RC和陶瓷諧振器.

•在選擇石英晶體振蕩器時,哪些參數(shù)比較關(guān)鍵.

•了解如何降低功耗當使用外部振蕩器時.

1.設(shè)備兼容性

本應用筆記支持多個設(shè)備系列,某些功能因設(shè)備而異.

MCU Series 0 consists of:

• EFM32 Gecko (EFM32G)

• EFM32 Giant Gecko (EFM32GG)

• EFM32 Wonder Gecko (EFM32WG)

• EFM32 Leopard Gecko (EFM32LG)

• EFM32 Tiny Gecko (EFM32TG)

• EFM32 Zero Gecko (EFM32ZG)

• EFM32 Happy Gecko (EFM32HG)

Wireless MCU Series 0 consists of:

• EZR32 Wonder Gecko (EZR32WG)

• EZR32 Leopard Gecko (EZR32LG)

• EZR32 Happy Gecko (EZR32HG)

2.振蕩器理論

2.1什么是振蕩器？

振蕩器是一種產(chǎn)生重復或周期性時變信號的電子電路.在MCU系列0或無線MCU系列0器件,該振蕩器信號用于為指令,數(shù)字邏輯和通信中的時鐘提供時鐘設(shè)備.產(chǎn)生這種信號的方法有多種,每種都有不同的屬性,這些屬性會影響項目成本,電路板尺寸和時鐘信號的穩(wěn)定性.

RC振蕩器

RC振蕩器由電阻器,電容器和反相放大器構(gòu)成.它們價格低廉,啟動時間更短與石英晶體振蕩器相比,但是元件值隨溫度的變化使得難以精確確定振蕩頻率.MCU系列0或無線MCU系列0器件至少提供三個內(nèi)部RC振蕩器：一個高頻RC振蕩器（HFRCO）,一個低頻RC振蕩器（LFRCO）和一個超低頻RC振蕩器（ULFRCO）.此外,輔助高頻RC振蕩器（AUXHFRCO）用于閃存編程和調(diào)試跟蹤.而內(nèi)部RC振蕩器將確保MCU系列0或無線MCU系列0設(shè)備的正常運行,某些應用要求比這些可以提供.

石英晶體振蕩器

晶體振蕩器利用石英晶體的機械振動來產(chǎn)生時鐘信號.由于晶體的分子組成和晶體的切割角度,這種類型的振蕩器在很寬的溫度范圍內(nèi)非常精確且穩(wěn)定.該最常用的晶體是石英晶體.生產(chǎn)石英晶體需要非常穩(wěn)定的溫度和壓力條件幾個星期.這使得晶體振蕩器比RC振蕩器價格更高.

陶瓷諧振器

陶瓷諧振器的工作方式與晶體振蕩器相同.它們更容易制造,因此比石英晶體便宜,但振蕩頻率的精度較差.陶瓷諧振器比晶體振蕩器精度要低,這通常會縮短啟動時間.這可能比某些應用中的頻率精度.

本應用筆記將重點介紹石英晶體.但是,提出的理論對于陶瓷諧振器也是有效的.

2.1.1壓電

石英晶體和陶瓷諧振器具有直接的壓電特性.這意味著施加的電場將導致晶體變形.相反,晶體的變形會在端子之間產(chǎn)生電壓.一旦振蕩器啟動,振動晶體端子上變化的電壓就用作時鐘信號.

2.2振蕩器的基本原理

圖2.1 簡化的反饋振蕩器環(huán)路

振蕩器的原理是滿足Barkhausen條件的正反饋環(huán)路：如果閉環(huán)增益大于統(tǒng)一,并且總相位滯后為360°,因此,最終的閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定并且會自我增強.這是必需的,但不是足以產(chǎn)生振蕩的條件.當滿足必要條件時,振蕩器中的任何干擾（噪聲）都會導致振蕩開始.滿足Barkhausen條件的頻率被放大得最多,因為它與原始信號.

初始振蕩非常微弱,需要花費一些時間才能將信號放大到所需的幅度.建立振蕩后只需少量能量即可補償電路中的損耗.在數(shù)學上,需要一個閉環(huán)增益為1保持穩(wěn)態(tài)振蕩.MCU系列0或無線MCU系列0依靠內(nèi)部調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)閉環(huán)當時鐘信號達到所需的幅度時,增益變?yōu)?/span>1.

第4的圖2.1簡化的反饋振蕩器環(huán)路顯示,振蕩器電路由兩部分組成：放大階段以及決定哪個頻率經(jīng)歷360°相位滯后的濾波器.對于晶體振蕩器,濾波器由晶體組成和外部負載電容器.

2.2.1啟動時間

閉環(huán)增益的大小對啟動時間有很大的影響.高增益時,信號必須經(jīng)過的次數(shù)傳播到環(huán)路周圍以達到所需的幅度減小.為了快速啟動,首選高增益.

出于同樣的原因,振蕩頻率也會影響啟動時間.千赫晶體KHZ范圍內(nèi)的晶體會更長啟動時間比晶體在MHz范圍內(nèi)的啟動時間長,因為循環(huán)環(huán)路所需的時間更長.MCU的典型啟動時間系列0或無線MCU系列0在低頻時為200-400 ms,在高頻域中為200 µs至400 µs.

2.3建模晶體

可以通過第2.2頁的圖2.2晶體的等效電路中的等效電路來描述晶體.

圖2.2 晶體的等效電路

•CS是運動電容,它表示從晶振晶體位移獲得的壓電電荷.

•RS是運動阻力,它代表了晶體中的機械損耗.

•LS是運動電感, 它代表了晶體中的運動質(zhì)量.

•C0是電極之間的并聯(lián)電容和來自外殼的雜散電容.

對于低頻,等效電路將表現(xiàn)出電容特性,如圖2.3所示.隨著頻率的增加,電抗的增加也使電感的存在變得更加明顯.忽略并聯(lián)電容C0時,定義串聯(lián)諧振頻率,電感和電容的電抗抵消.在此頻率下,晶體僅表現(xiàn)為電阻性,沒有相移.因此,串聯(lián)諧振頻率fS決定了CS的值和LS,可以通過以下公式計算.串聯(lián)諧振頻率是自然諧振頻率,其中機械能和電能之間的能量轉(zhuǎn)換最有效.

圖2.3 電抗與頻率

在更高的頻率下,等效電路將呈現(xiàn)電感性,這意味著更高的阻抗.當感抗來自晶體消除了并聯(lián)電容C0的電容電抗,存在另一個具有零相移的諧振頻率.這個頻率稱為反諧振頻率fA. 在此頻率下,阻抗最大.晶體中的電感分流電容將相互饋電,從而獲得最低的電流消耗.

fS和fA之間的頻率范圍稱為并聯(lián)諧振區(qū)域,是晶振晶體正常振蕩的地方.在諧振頻率下,反饋環(huán)路中的相位滯后由一個具有180°相位滯后的放大器和兩個電容組成.合并180°相位滯后.實際上,該放大器提供的相移略大于180°,這意味著必須出現(xiàn)晶體.稍微歸納即可滿足Barkhausen標準.

2.3.1串聯(lián)和并聯(lián)諧振晶體

物理上,串聯(lián)和并聯(lián)諧振晶體之間沒有區(qū)別.指定串聯(lián)諧振晶體在晶體出現(xiàn)無電抗的串聯(lián)諧振頻率.因此,不應存在外部電容,因為這將使振蕩頻率降低到自然共振頻率以下.這些晶體旨在用于具有以下特性的電路中：振蕩器電路提供360°相移的地方?jīng)]有外部電容器.

并聯(lián)諧振晶體需要容性負載才能在指定頻率下振蕩,這是諧振模式所需的諧振模式.MCU系列0或無線MCU系列0設(shè)備. MCU系列0或無線MCU系列0器件需要外部負載電容器.并聯(lián)諧振晶體的確切振蕩頻率可以通過以下公式計算,其中CL是晶體所看到的負載電容. 因此,CL是重要的設(shè)計參數(shù),并在數(shù)據(jù)手冊中給出了并聯(lián)諧振晶體的參數(shù).

3. MCU系列0或無線MCU系列0晶體振蕩器

MCU系列0或無線MCU系列0器件包括各種振蕩器,包括全內(nèi)部低速和高速RC振蕩器（本應用筆記未涵蓋）.這些功能可在所有能量模式下實現(xiàn)全面運行,而無需任何外部振蕩器組件.如果應用需要更精確的時鐘,則MCU系列0或無線MCU系列0器件包括兩個晶體振蕩器,低頻晶體振蕩器（LFXO）和高頻晶體振蕩器（HFXO）.這些振蕩器需要外部時鐘或晶體和負載電容器連接到器件的晶體振蕩器引腳.LFXO支持帶有標稱頻率為32.768KHz,而HFXO支持4-50MHz的頻率,具體取決于設(shè)備-請聯(lián)系億金電子以了解更多信息.還支持提供正弦波和方波的外部振蕩器.

在MCU系列0或無線MCU系列0中,振蕩器電路被設(shè)計為皮爾斯振蕩器,如圖3.1所示.

圖3.1 MCU系列0或無線MCU系列0中的皮爾斯振蕩器

眾所周知,皮爾斯振蕩器在很寬的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定并且功耗低.

MCU系列0或無線MCU系列0的晶體振蕩器使用相對較低的振蕩幅度,這可能導致較低的振蕩幅度.振蕩頻率比晶體數(shù)據(jù)表中標稱值高.

3.1超時和故障檢測

為確保XO時鐘信號在穩(wěn)定之前未在MCU系列0或無線MCU系列0中內(nèi)部使用,兩者HFXO和LFXO包含可配置的超時.當XO晶體振蕩器啟動后,超時計數(shù)器將在時鐘信號傳播到內(nèi)部時鐘樹之前計數(shù)到配置的周期數(shù)和數(shù)字邏輯.

對于MCU系列0或無線MCU系列0的HFXO,還可以啟用毛刺檢測器（HFXOGLITCHDETENCMU_CTRL）.使用此設(shè)置,超時期間檢測到的任何毛刺將導致超時計數(shù)器重新開始.該然后,時鐘將不會傳播,直到它運行了完整的超時周期而沒有毛刺為止.超時時間成功過后,毛刺檢測器會自動關(guān)閉以節(jié)省電量.

3.2組態(tài)器中的振蕩器配置

Simplicity Studio中的[Hardware Configurator]包含一個工具,可幫助用戶配置負載電容和軟件設(shè)置用于使用LFXO和HFXO.一旦找到正確的硬件配置,設(shè)計人員就可以輸出C代碼,應該在應用程序中運行.使用[Hardware Configurator]的軟件設(shè)置很重要,以確?？煽空袷幤鞯牟僮?/span>.

3.3外部時鐘和正弦緩沖輸入

HFXO和LFXO振蕩器可用作外部生成的數(shù)字時鐘信號的輸入.在此使用振蕩器時方式,將時鐘輸入連接到HFXTAL_N或LFXTAL_N.這些輸入的最大頻率受最大時鐘頻率的限制.外部緩沖的正弦信號也可以應用于HFXTAL_N或LFXTAL_N引腳.該信號的建議幅度在0.8至1.2 Vpk-pk之間,并且頻率必須與將晶體與HFXO和LFXO一起使用時所需的頻率相同.

4.晶體參數(shù)

4.1品質(zhì)因數(shù)

品質(zhì)因數(shù)Q是效率或相對于石英晶體中能量耗散的相對存儲量度.對于等效電路,以下等式說明了R,C和Q之間的關(guān)系.實際上,具有較高Q值的晶體更多準確,但振蕩頻率較小. 因此,高Q因子晶體通常比晶體啟動慢具有更高的頻率容限.通常,晶體比陶瓷諧振器具有更高的Q因子.因此可以預期晶體具有比陶瓷諧振器更長的啟動時間.

XLS 和XCS 分別是LS和CS在晶體工作頻率下的電抗.

4.2負載電容

如下式所示,兩個電容器CL1和CL2為晶體提供容性負載.有效負載電容從MCU系列0或無線MCU系列0的XTAL_N和XTAL_P引腳可以看出,CL是CL1和CL2接地.

其中Cstray是微控制器的引腳電容和任何寄生電容,通?？梢约俣?/span>2-5pF.正確選擇CL對于正確的工作頻率很重要.負載電容小的晶體通常比需要大CL的晶體.大負載電容器也會增加功耗.注意:MCU系列0或無線MCU系列0的設(shè)備需要在XTAL_N和XTAL_N之間連接外部負載電容器.XTAL_P引腳和地.

4.3等效串聯(lián)電阻

等效串聯(lián)電阻是晶體在振蕩過程中的電阻,并隨諧振頻率變化. ESR,給定根據(jù)下面的公式,通常將隨著振蕩頻率的增加而降低.

MCU系列0或無線MCU系列0的HFXO / LFXO電路無法保證ESR大于a的晶體的啟動一定的限制.請參考器件數(shù)據(jù)手冊以獲取更多詳細信息.與該最大值相比,ESR越小越好晶體啟動的增益裕度,從而減少了啟動時間.此外,較小的ESR值可在振蕩期間降低功耗.

注意,HF晶體的ESR為幾十歐姆,而LF晶體的ESR值通常為歐姆.因此,與kHz晶振相比,幾歐姆的串聯(lián)電阻對MHz晶振范圍內(nèi)的啟動裕度有更大的影響范圍

4.3頻率穩(wěn)定性

頻率穩(wěn)定性是在給定工作溫度下與指定振蕩頻率的最大頻率偏差范圍.

4.4頻率容差

頻率容差是在25℃時與指定振蕩頻率的最大頻率偏差.此參數(shù)給出了指示各個晶體之間的差異.

4.5 PCB布局

為了最大程度地降低由寄生天線和寄生耦合現(xiàn)象引起的噪聲靈敏度,晶振晶體,電容器（需要時）與MCU系列0或無線MCU系列0振蕩器引腳之間的距離應盡可能短.如果不可能的話為了將外部振蕩器組件放置在靠近振蕩器引腳的位置,在路由這些信號時應格外小心.避免長時間MCU系列0或無線MCU系列0封裝和其他可能與之產(chǎn)生寄生耦合的電路下方的走線邏輯活動.還應避免將任何其他信號路由通過晶體區(qū)域.

兩個電容器的接地端（如果需要外部電容器）必須接地.這些連接應該是每個電容器的長度應盡可能短且長度相等.確保振蕩器下方的接地層良好質(zhì)量.請勿在振蕩器下方使用單獨的接地層,該接地層與參考接地之間的連接要窄,因為這可能會觸碰.為避免與周圍信號走線耦合,優(yōu)良作法是在振蕩器周圍放置接地的保護環(huán)及其組件.