電子電路基礎(chǔ)：晶振電路設(shè)計(jì)方案及建議

 該文將討論晶振電路設(shè)計(jì)方案，并解釋電路中的各個(gè)元器件的具體作用，并且在元器件數(shù)值的選擇上提供指導(dǎo)。最后，就消除晶振不穩(wěn)定和起振問(wèn)題，最后文章還將給出了一些建議措施。

1 晶振的等效電氣特性

(1) 概念

[1] 晶片，石英晶體或晶體、晶振、石英晶體諧振器

從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片。

[2] 晶體振蕩器

在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱(chēng)為晶體振蕩器。

(2) 晶振等效電路

圖1. 晶振的等效電路

圖1 展示了晶振等效的電路。R是ESR串聯(lián)等效阻抗，L和C分別是晶振等效電感和等效電容。Cp是晶振的伴身電容，其極性取決于晶振的極性。

圖2 是晶振的電抗頻譜線(xiàn)。

圖2. 晶振的電抗頻譜線(xiàn)

根據(jù)圖 2，當(dāng)晶振工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)下時(shí)，電路就似一個(gè)純電阻電路，感抗等于容抗(XL=XC)。串聯(lián)諧振的頻率為：

當(dāng)晶振工作在并聯(lián)諧振模式時(shí)，晶振表現(xiàn)為感性。該模式的工作頻率由晶振的負(fù)載決定。對(duì)于并聯(lián)諧振狀態(tài)的晶振，晶振制造商應(yīng)該指定負(fù)載電容CL。在這種模式下，振動(dòng)頻率由下式給出

在并聯(lián)諧振模式下，電抗線(xiàn)中fs到fa的斜線(xiàn)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)調(diào)整晶振的負(fù)載，如圖2，晶振都可以振蕩起來(lái)。

2 晶振電路的設(shè)計(jì)

圖3所示為推薦的晶振振蕩電路圖。這樣的組成可以使晶振處于并聯(lián)諧振模式。反相器在芯片內(nèi)體現(xiàn)為一個(gè)AB型放大器，它將輸入的電量相移大約180°后輸出;并且由晶振，R1，C1和C2組成的π型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生另外180°的相移。所以整個(gè)環(huán)路的相移為360°。這滿(mǎn)足了保持振蕩的一個(gè)條件。其它的條件，比如正確起振和保持振蕩，則要求閉環(huán)增益應(yīng)≥1。

圖3. 晶振振蕩器設(shè)計(jì)電路

反相器附近的電阻Rf產(chǎn)生負(fù)反饋，它將反相器設(shè)定在中間補(bǔ)償區(qū)附近，使反相器工作在高增益線(xiàn)性區(qū)域。電阻值很高，范圍通常在500KΩ ~2MΩ內(nèi)。

圖示的C1，C2就是為晶振工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)下得到加載電容CL的電容。關(guān)于最優(yōu)的加載電容CL的計(jì)算公式為：

這里CS是PCB的漂移電容(stray capacitance)，用于計(jì)算目的時(shí)，典型值為5pf。現(xiàn)在C1和C2選擇出來(lái)滿(mǎn)足上面等式。通常選擇的C1和C2是大致相等的。C1和/或C2的數(shù)值較大，這提高了頻率的穩(wěn)定性，但減小了環(huán)路增益，可能引發(fā)起振問(wèn)題。

R1是驅(qū)動(dòng)限流電阻，主要功能是限制反相器輸出，這樣晶振不會(huì)被過(guò)驅(qū)動(dòng)(over driven)。R1、C1組構(gòu)成分壓電路，這些元器件的數(shù)值是以這樣的方式進(jìn)行計(jì)算的：反相器的輸出接近rail-to-rail值，輸入到晶振的信號(hào)是rail-to-rail的60%，通常實(shí)際是令R1的電阻值和的C1容抗值相等，即R1 ≈ XC1。這使晶振只取得反相器輸出信號(hào)的一半。要一直保證晶振消耗的功率在廠商說(shuō)明書(shū)規(guī)定范圍內(nèi)。過(guò)驅(qū)動(dòng)會(huì)損壞晶振。

理想情況下，反相器提供180°相移。但是，反相器的內(nèi)在延遲會(huì)產(chǎn)生額外相移，而這個(gè)額外相移與內(nèi)在延遲成比例。為保證環(huán)路全相移為n360°，π 型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)根據(jù)反相器的延遲情況，提供小于180°的相移。R1的調(diào)整可以滿(mǎn)足這一點(diǎn)。使用固定大小的C1和C2，閉環(huán)增益和相位可隨R1變化。如果上述兩個(gè)條件均得到了滿(mǎn)足，在一些應(yīng)用中，R1可以忽略掉。

一些芯片內(nèi)置了全部這些外部器件(Rf, R1, C1, and C2)，因此消除了電路設(shè)計(jì)師的煩惱。這種情況下，只要把晶振連接在XTAL和XTAL引腳上即可。

提示:

選擇ESR小的晶振，有利于解決起振問(wèn)題。較小的ESR可以增加環(huán)路增益。

在PCB板上縮短線(xiàn)路可以減小漂移電容。這也有利于解決晶振起振和振蕩頻率的問(wèn)題。

在工作的溫度下和工作的電壓范圍內(nèi)經(jīng)常性測(cè)試一下電路，以確保晶振起振和持續(xù)振蕩。必要的時(shí)候調(diào)整元器件的數(shù)值。

為了取得最好效果，晶振的設(shè)計(jì)，用至少0.4 Vdd(峰峰值)的電平驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘反相器。調(diào)節(jié)晶振不能滿(mǎn)足要求。為了獲得進(jìn)一步的設(shè)計(jì)協(xié)助，請(qǐng)聯(lián)系晶振制造商。

為了優(yōu)化R1，我們推薦先計(jì)算C1和C2(前面已經(jīng)解釋過(guò)如何計(jì)算)。將R1替換成電位計(jì)，將其初始值設(shè)置到大約XC1。如果需要，調(diào)節(jié)電位計(jì)的設(shè)置，直到晶振起振并在穩(wěn)態(tài)條件下保持振蕩。