晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)指南

1、 AN2867應(yīng)用筆記ST 微控制器振蕩器電路設(shè)計(jì)指南前言大多數(shù)設(shè)計(jì)者都熟悉基于Pierce(皮爾斯 柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的振蕩器，但很少有人真正了解它是如何工作的，更遑論如何正確的設(shè)計(jì)。我們經(jīng)常看到，在振蕩器工作不正常之前，多數(shù)人是不愿付出太多精力來(lái)關(guān)注振蕩器的設(shè)計(jì)的，而此時(shí)產(chǎn)品通常已經(jīng)量產(chǎn)；許多系統(tǒng)或項(xiàng)目因?yàn)樗鼈兊木д駸o(wú)法正常工作而被推遲部署或運(yùn)行。情況不應(yīng)該是如此。在設(shè)計(jì)階段，以及產(chǎn)品量產(chǎn)前的階段，振蕩器應(yīng)該得到適當(dāng)?shù)年P(guān)注。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)避免一場(chǎng)惡夢(mèng)般的情景：發(fā)往外地的產(chǎn)品被大批量地送回來(lái)。本應(yīng)用指南介紹了Pierce 振蕩器的基本知識(shí)，并提供一些指導(dǎo)作法來(lái)幫助用戶(hù)如何規(guī)劃一個(gè)好的振蕩器設(shè)計(jì)，如何確定

2、不同的外部器件的具體參數(shù)以及如何為振蕩器設(shè)計(jì)一個(gè)良好的印刷電路板。在本應(yīng)用指南的結(jié)尾處，有一個(gè)簡(jiǎn)易的晶振及外圍器件選型指南，其中為STM32推薦了一些晶振型號(hào)(針對(duì)HSE 及LSE ，可以幫助用戶(hù)快速上手。目錄 ST 微控制器振蕩器電路設(shè)計(jì)指南目錄1 2 3 4 石英晶振的特性及模型 振蕩器原理 Pierce 振蕩器Pierce 振蕩器設(shè)計(jì)4.1 4.2 4.3 4.4反饋電阻R F 負(fù)載電容C L 振蕩器的增益裕量3 5 6 77 7 8 8驅(qū)動(dòng)級(jí)別DL 計(jì)算 8 另一個(gè)驅(qū)動(dòng)級(jí)別測(cè)量方法 9 外部電阻R Ext 計(jì)算 1010啟動(dòng)時(shí)間晶振的牽引度(Pullability 105 6 挑選晶振

3、及外部器件的簡(jiǎn)易指南 11 針對(duì)STM32微控制器的一些推薦晶振 126.112推薦的8MHz 晶振型號(hào) 12 推薦的8MHz 陶瓷振蕩器型號(hào) 1212LSE 部分7 8關(guān)于PCB 的提示 13 結(jié)論 141 石英晶振的特性及模型石英晶體是一種可將電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的壓電器件，能量轉(zhuǎn)變發(fā)生在共振頻率點(diǎn)上。它可用如下模型表示： 圖1石英晶體模型 C 0：等效電路中與串聯(lián)臂并接的電容(譯注：也叫并電容，靜電電容，其值一般僅與晶振的尺寸有關(guān) 。L m ：(動(dòng)態(tài)等效電感 代表晶振機(jī)械振動(dòng)的慣性。 C m ：(動(dòng)態(tài)等效電容 代表晶振的彈性。 R m ：(動(dòng)態(tài)等效電阻 代表電路的損耗。晶振的阻抗可表示為

4、以下方程(假設(shè)R m 可以忽略不計(jì) ： 圖2石英晶振的頻域電抗特性其中F s 的是當(dāng)電抗Z=0時(shí)的串聯(lián)諧頻率(譯注：它是L m 、C m 和R m 支路的諧振頻率 ，其表達(dá)式如下：F a 是當(dāng)電抗Z 趨于無(wú)窮大時(shí)的并聯(lián)諧振頻率(譯注：它是整個(gè)等效電路的諧振頻率 ，使用等式(1，其表達(dá)式如下：在F s 到F a 的區(qū)域即通常所謂的：“并聯(lián)諧振區(qū)”(圖2中的陰影部分 ，在這一區(qū)域晶振工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)(譯注：該區(qū)域就是晶振的正常工作區(qū)域，F(xiàn) a F s 就是晶振的帶寬。帶寬越窄，晶振品質(zhì)因素越高，振蕩頻率越穩(wěn)定 。在此區(qū)域晶振呈電感特性，從而帶來(lái)了相當(dāng)于180 °的相移。其頻率F P (

5、或者叫F L :負(fù)載頻率 表達(dá)式如下：從表達(dá)式(4，我們知道可以通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載電容C L 來(lái)微調(diào)振蕩器的頻率，這就是為什么晶振制造商在其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中會(huì)指定外部負(fù)載電容C L 值的原因。通過(guò)指定外部負(fù)載電容C L 值，可以使晶振晶體振蕩時(shí)達(dá)到其標(biāo)稱(chēng)頻率。下表給出了一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明如何調(diào)整外部參數(shù)來(lái)達(dá)到晶振電路的8MHz 標(biāo)稱(chēng)頻率： 表1等效電路參數(shù)實(shí)例等效元件 R m數(shù)值8L m C m C 0使用表達(dá)式(2、(3和(4，我們可以計(jì)算出該晶振的F s 、F a 及F P ： F s = 7988768Hz，F(xiàn) a = 8008102Hz如果該晶振的C L 為10pF ，則其振蕩頻率為：F P = 7

6、995695Hz。 要使其達(dá)到準(zhǔn)確的標(biāo)稱(chēng)振蕩頻率8MHz ，C L 應(yīng)該為4.02pF 。AN2867 振蕩器原理2 振蕩器原理振蕩器由一個(gè)放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，反饋網(wǎng)絡(luò)起到頻率選擇的作用。圖3通過(guò)一個(gè)框圖來(lái)說(shuō)明振蕩器的基本原理。 圖3振蕩器的基本原理 其中： A(f是放大器部分，給這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)提供能量以保持其振蕩。 B(f是反饋通道，它決定了振蕩器的頻率。 為了起振，Barkhausen 條件必須得到滿(mǎn)足。即閉環(huán)增益應(yīng)大于1，并且總相移為360°。 為了讓振蕩器工作，要保證|A(f|.|B(f| >> 1。這意味著開(kāi)環(huán)增益應(yīng)遠(yuǎn)大于1，到達(dá)穩(wěn)定振蕩所需的時(shí)間取決于這個(gè)開(kāi)環(huán)

7、增益。然而，僅滿(mǎn)足以上條件是不夠解釋為什么晶體振蕩器可以開(kāi)始振蕩。為了起振，還需要向其提供啟動(dòng)所需的電能。一般來(lái)說(shuō)，上電的能量瞬變以及噪聲可以提供所需的能量。應(yīng)當(dāng)注意到，這個(gè)啟動(dòng)能量應(yīng)該足夠多，從而能夠保證通過(guò)觸發(fā)使振蕩器在所需的頻率工作。實(shí)際上，在這種條件下的放大器是非常不穩(wěn)定的，任何干擾進(jìn)入這種正反饋閉環(huán)系統(tǒng)都會(huì)使其不穩(wěn)定并引發(fā)振蕩啟動(dòng)。干擾可能源于上電，器件禁用/使能的操作以及晶振熱噪聲等. 。同時(shí)必須注意到，只有在晶振工作頻率范圍內(nèi)的噪聲才能被放大，這部分相對(duì)于噪聲的全部能量來(lái)說(shuō)只是一小部分，這也就是為什么晶體振蕩器需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能啟動(dòng)的原因。3 Pierce 振蕩器皮爾斯振蕩器有

8、低功耗、低成本及良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此常見(jiàn)于通常的應(yīng)用中。 圖4皮爾斯振蕩器電路 Inv ：內(nèi)部反向器，作用等同于放大器。 Q ：石英或陶瓷晶振。R F ： 內(nèi)部反饋電阻(譯注：它的存在使反相器工作在線性區(qū), 從而使其獲得增益，作用等同于放大器 。R Ext ：外部限流電阻。C L1和C L2：兩個(gè)外部負(fù)載電容。Cs ：由于PCB 布線及連接等寄生效應(yīng)引起的等效雜散電容(OSC_IN和OSC_OUT管腳上 。44.1Pierce 振蕩器設(shè)計(jì)在這一節(jié)中，將介紹Pierce 振蕩器各種參數(shù)的含義及如何確定這些參數(shù)的值，從而使用戶(hù)熟悉Pierce 振蕩器的設(shè)計(jì)。反饋電阻R F在大多數(shù)情況下，反饋電

9、阻R F 是內(nèi)嵌在振蕩器電路內(nèi)的(至少在ST 的MCU 中是如此 。它的作用是通過(guò)引入反饋使反向器的功能等同于放大器。Vin 和Vout 之間增加的反饋電阻使放大器在Vout Vin時(shí)產(chǎn)生偏置，迫使反向器工作在線性區(qū)域(圖5中陰影區(qū) 。該放大器放大了晶振的正常工作區(qū)域內(nèi)的在并聯(lián)諧振區(qū)內(nèi)的噪聲(例如晶振的熱噪聲(譯注：工作在線性區(qū)的反向器等同于一個(gè)反向放大器 ，從而引發(fā)晶振起振。在某些情況下，如果在起振后去掉反饋電阻R F ，振蕩器仍可以繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖5反向器工作示意圖R F 的典型值于下表中給出。 表2頻率及對(duì)應(yīng)的反饋電阻參考值頻率 32.768kHz 1MHz 10MHz 20MHz 反

10、饋電阻范圍 10 至 25M 5 至 10M 1 至 5M 470k 至 5M4.2 負(fù)載電容C L負(fù)載電容 C L 是指連接到晶振上的終端電容。C L 值取決于外部電容器C L1和C L2，刷電路板上的雜散電容(Cs 。C L 值由由晶振制造商給出。保證振蕩頻率精度，主要取決于振蕩電路的負(fù)載電容與給定的電容值相同，保證振蕩頻率穩(wěn)定度主要取決于負(fù)載電容保持不變。外部電容器C L1和C L2可用來(lái)調(diào)整CL ，使之達(dá)到晶振制造商的標(biāo)定值。 C L 的表達(dá)式如下：C L1和C L2計(jì)算實(shí)例：例如，如果C L 15pF ，并假定C s = 5pF，則有：即：C L1 = CL2 = 20pF4.3 振

11、蕩器的增益裕量增益裕量是最重要的參數(shù)，它決定振蕩器是否能夠正常起振，其表達(dá)式如下： 其中： gm 是反向器的跨導(dǎo)，其單位是mA/V(對(duì)于高頻的情況 或者是µA/V(對(duì)于低頻的情況，例如32kHz 。 g mcrit (gm critical的值 取決于晶振本身的參數(shù)。假定C L1 = CL2 ，并假定晶振的C L 將與制造商給定的值相同，則g mcrit 表達(dá)式如下： 其中ESR 是指晶振的等效串聯(lián)電阻。根據(jù)Eric Vittoz的理論(譯注：具體可參考Eric A. Vittoz et al., "High-Performance CrystalOscillator Ci

12、rcuits: Theory and Application", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, No. 3, pp. 774-782, Jun. 1988，放大器和兩個(gè)外部電容的阻抗對(duì)晶振的RLC 動(dòng)態(tài)等效電路的電抗有補(bǔ)償作用。基于這一理論，反向器跨導(dǎo)(gm必須滿(mǎn)足：gm > gmcrit 。在這種情況下才滿(mǎn)足起振的振蕩條件。為保證可靠的起振，增益裕量的最小值一般設(shè)為5。例如，如果設(shè)計(jì)一個(gè)微控制器的振蕩器部分，其gm 等于25mA/V。如果所選擇的石英晶振(來(lái)自FOX 公司 的參數(shù)如下：頻率 = 8MHz，C 0

13、= 7pF，C L = 10pF，ESR = 80 那么該晶體能否與微控制器配合可靠起振？ 讓我們來(lái)計(jì)算 g mcrit ：如果據(jù)此來(lái)計(jì)算增益裕量，可得：此增益裕量遠(yuǎn)大于起振條件即Gain margin >5，晶振將正常起振。如果不能滿(mǎn)足增益裕量起振條件(即增益裕量Gain margin 小于5，晶振無(wú)法正常起振 ，應(yīng)嘗試選擇一種ESR 較低或/和C L 較低的晶振。4.4驅(qū)動(dòng)級(jí)別DL 外部電阻R Ext 計(jì)算這兩個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的，這也就是為什么在同一節(jié)中描述此二者的原因。驅(qū)動(dòng)級(jí)別DL 計(jì)算驅(qū)動(dòng)級(jí)別描述了晶振的功耗。晶振的功耗必須限制在某一范圍內(nèi)，否則石英晶體可能會(huì)由于過(guò)度的機(jī)械振動(dòng)而

14、導(dǎo)致不能正常工作。通常由晶振制造商給出驅(qū)動(dòng)級(jí)別的最大值，單位是毫瓦。超過(guò)這個(gè)值時(shí)，晶振就會(huì)受到損害。 驅(qū)動(dòng)級(jí)別由下述表達(dá)式給出：其中： ESR 是指晶振的等效串聯(lián)電阻(其值由晶振制造商給出 ： IQ 是流過(guò)晶振電流的均方根有效值，使用示波器可觀測(cè)到其波形為正弦波。電流值可使用峰峰值(IPP。當(dāng)使用電流探頭時(shí)(如圖6 ，示波器的量程比例可能需要設(shè)置為1mA/1mV。 圖6使用電流探頭檢測(cè)晶振驅(qū)動(dòng)電流 如先前所描述，當(dāng)使用限流電位器調(diào)整電流值，可使流過(guò)晶振的電流不超過(guò)I QMAX 均方根有效值(假設(shè)流過(guò)晶振的電流波形為正弦波 。 I QMAX 均方根有效值表達(dá)式如下： 因此，流過(guò)晶振的電流IPP

15、不應(yīng)超過(guò)I QMAX PP(使用峰峰值表示 ，I QMAX PP 表達(dá)式如下： 驅(qū)動(dòng)級(jí)別可以由下式計(jì)算得出： 其中I QRMS 是交流電流的均方根有效值。這個(gè)電流可以通過(guò)使用小電容(<1pF分布的示波器探頭在放大器的輸入端，測(cè)量電壓變化得到。相對(duì)于流經(jīng)C L1的電流，放大器的輸入電流可以忽略不計(jì)；因此可以假定經(jīng)過(guò)晶振的電流等于流經(jīng)C L1的電流。這樣在這個(gè)點(diǎn)上，電壓的均方根有效值與電流的均方根有效值有如下關(guān)系： 其中： F = 晶體的頻率 ，這里V PP 是在C L1端測(cè)量電壓的峰-峰值 C tot = CL1 + (CS /2 + Cprobe其中： C L1是放大器輸入端的外部負(fù)載電

16、容器 C S 是分布電容 C probe 是探頭的電容量這樣，驅(qū)動(dòng)級(jí)別可以由下式得出： DL 數(shù)值必須超過(guò)由晶體廠家提供的驅(qū)動(dòng)級(jí)別數(shù)值。這個(gè)電阻的作用是限制晶振的驅(qū)動(dòng)級(jí)別，并且它與C L2組成一個(gè)低通濾波器，以確保振蕩器的起振點(diǎn)在基頻上，而不是在其他高次諧波頻率點(diǎn)上(避免3次，5次，7次諧波頻率 。如果晶振的功耗超過(guò)晶振制造商的給定值，外部電阻R Ext 是必需的，用以避免晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。如果晶振的功耗小于晶振制造商的給定值，就不推薦使用R Ext 了，它的值可以是0。對(duì)R Ext 值的預(yù)估可以通過(guò)考慮由R Ext 和C L2的電壓分壓R Ext /CL2實(shí)現(xiàn)(注意到R Ext 和C L2構(gòu)成

17、了一個(gè)分壓/濾波器，考慮通帶寬度應(yīng)不小于振蕩器頻率 ，則有R Ext 的值等于C L2的電抗： 輸入： 振蕩器頻率F = 8MHz C L2 = 15pF得到：R Ext = 1326優(yōu)化R Ext 值的方法推薦如下：首先根據(jù)前面的介紹確定好C L1和C L2的值，其次使用電位器來(lái)代替R Ext ，R Ext 值可預(yù)設(shè)為C L2的電抗值。然后調(diào)整電位器的值直到它滿(mǎn)足晶振驅(qū)動(dòng)級(jí)別的需要，此時(shí)電位器的值即是C L2值。注意： 在計(jì)算完R Ext 值后要重新計(jì)算Gain margin的值(請(qǐng)參考4.3節(jié) 以確保R Ext 值對(duì)起振條件沒(méi)有影響。例如，R Ext 值的值需要加入到ESR 中參與g mc

18、rit 的計(jì)算，同時(shí)要保證g m >>gmcrit 注意： 如果RExt 值太小，晶振上可能會(huì)承擔(dān)太多的功耗。如果RExt 值太大，振蕩器起振條件將得不到滿(mǎn)足從而無(wú)法正常工作。4.5 啟動(dòng)時(shí)間啟動(dòng)時(shí)間是指振蕩器啟動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間受外部C L1和C L2電容影響，同時(shí)它隨著晶振頻率的增加而減少。不同種類(lèi)的晶振對(duì)啟動(dòng)時(shí)間影響也很大，石英晶振的啟動(dòng)時(shí)間比陶瓷晶振的啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)得多。起振失敗通常和Gain margin 有關(guān)，過(guò)大或過(guò)小的C L1和C L2，以及過(guò)大的ESR 值均可引起Gain margin 不能滿(mǎn)足起振條件。 頻率為MHz 級(jí)的晶振的啟動(dòng)時(shí)間是毫秒級(jí)的。 而

19、32kHz 的晶振的啟動(dòng)時(shí)間一般要15秒。4.6 晶振的牽引度(Pullability晶振的牽引度(譯注：也叫可調(diào)度 是指工作在正常并聯(lián)諧振區(qū)的晶振頻率的變化率。這也用于衡量隨負(fù)載電容變化而導(dǎo)致的頻率變化，負(fù)載電容的減少會(huì)導(dǎo)致頻率的增加，反之負(fù)載電容的增加會(huì)導(dǎo)致頻率的減小。晶振的牽引度表達(dá)式如下： AN2867 挑選晶振及外部器件的簡(jiǎn)易指南 5 挑選晶振及外部器件的簡(jiǎn)易指南 本節(jié)給出了一個(gè)挑選合適的晶振及外部器件的簡(jiǎn)易指南，一共可分為3個(gè)主要步驟： 第一步：增益裕量(Gainmargin計(jì)算 (請(qǐng)參考4.3節(jié)：振蕩器的增益裕量 選擇一個(gè)晶振(參考MCU的數(shù)據(jù)手冊(cè)確定晶振的頻率 計(jì)算晶振的增益裕

20、量(Gainmargin并檢查其是否大于5： 如果Gainmargin < 5，說(shuō)明這不是一個(gè)合適的晶振，應(yīng)當(dāng)再挑選一個(gè)低ESR值和/或低CL值的 晶振，重新第一步。 如果Gainmargin > 5，進(jìn)行第二步。 第二步：外部負(fù)載電容的計(jì)算 (請(qǐng)參考4.2節(jié)：負(fù)載電容CL 計(jì)算CL1和CL2的值，并檢查標(biāo)定為該計(jì)算值的電容是否能在市場(chǎng)上獲得。 如果能找到容值為計(jì)算值的電容，則晶振可以在期望的頻率正常起振。然后轉(zhuǎn)到第三步。 如果找不到容值為計(jì)算值的電容： 該應(yīng)用對(duì)頻率要求很高，你可使用一個(gè)可變電容并將其調(diào)整到計(jì)算值，然后轉(zhuǎn)到第三步。 如果對(duì)頻率的要求不是特別苛刻，選擇市場(chǎng)上能獲得的

21、電容中容值距計(jì)算值最近的電容， 然后轉(zhuǎn)到第三步。 第三步：驅(qū)動(dòng)級(jí)別及外部電阻的計(jì)算 (請(qǐng)參考4.4節(jié)：驅(qū)動(dòng)級(jí)別DL外部電阻RExt計(jì)算 計(jì)算驅(qū)動(dòng)級(jí)別DL并檢查其是否大于DLcrystal： 如果 DL < DLcrystal，沒(méi)必要使用外部電阻，祝賀你，你找到了合適的晶振。 如果 DL > DLcrystal，你應(yīng)該計(jì)算 RExt 使其確保 DL< DLcrystal 并據(jù)此重新計(jì)算 Gainmargin。 如果 Gainmargin> 5，祝賀你，你找到了合適的晶振。 如果 Gainmargin< 5，你別無(wú)選擇，再重新挑選另外一個(gè)晶振吧。然后重新回到第一步。 11/14 參照2009年1月 AN2867 英文第1版 本譯文僅供參考，如有翻譯錯(cuò)誤，請(qǐng)以英文原稿為準(zhǔn)。請(qǐng)讀者隨時(shí)注意在ST網(wǎng)站下載更新版本 AN2867 關(guān)于PCB的提示 7 關(guān)于PCB的提示 1. 外部雜散電容和電感要控制在一個(gè)盡可能小的范圍內(nèi)，從而避免晶振進(jìn)入非正常工作模式或 引起起振不正常等問(wèn)題。 另外，振蕩器電路旁邊要避免有高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)。 2. 走線長(zhǎng)度越短越好。 3. 接地平面用于信號(hào)隔離和減少噪聲。例如：在晶振的保護(hù)環(huán)(譯注：(Guard ring，指器件或 走線外圍成一圈用于屏蔽干擾的導(dǎo)線環(huán)，一般要求理論上沒(méi)有電流從