晶振電路的理論與應(yīng)用計算

1、晶振電路的理論與應(yīng)用計算SN74LVC1GU04_L c2 T -32 pF圖1 :典型的Pierce皮爾斯石英晶體振蕩電路圖2：振蕩電路RfTil圖3：石英晶體等效電路圖4 ：泛音石英晶體振蕩電路安裝支架底座AdhesiveLltxlcoi*?圖5： DIP封裝的晶振（石英晶體諧振器）圖6： SMD封裝的晶振（石英晶體諧振 器）圖7： SMD封裝的晶振圖8 SMD封裝的鐘振（多了下方的振蕩電路、IC)常用的“貼片晶振40MHz-15pF-15ppm-3225-亞陶”，可以從規(guī)格書上看到如下參數(shù):TEST BATAItemSPDRRRcoClISFLD2DLD2RLD2FLdBOluiisPF

2、* irppuvpFPPmOlmisOhmsppmMax-37 八 Q14.501304,501.20SJO16.30 1 :<iMiuS.101.203.907.500.600.409 10-7.7()Avg-48.3511.111.274.418321741.3012.01-1.67llf-mSVEIItH)!Min 1 TvpMjxVaihNcuriiuil fit 剛u華 iacyFO陽,00顧MHzMode of OsciUatioiOT FundiHrncnUd ZJ 3 OvcrCoiic 二 5 OvertoneLoud CapHiLtauceCL15pFFLcqnclu

3、cy TolCLAJK 亡FT=15ppm9/2?<J+3CFrcqucucy Siabdny±15ppmWurtcbig T>?jiip?r3iriirec/ulkiclU I.IIII'L- irmc ： m ： jlTR-20-70Dove LevelDL10ScrksRcdsImKc RKCl/RR44)nMustSh.unl CapncilajKe COCO5PFMas.AQUIE3ppai，AT.既lj 昂典 be 中 pEilnrc riicigu-55 - 125UuLl Weight0.017*0.003罷Thifin- T； - drnfil

4、UKIttk hiraM yjlBtancr 曲 ii m SCNr as-WZ5M 5 ; G :口 5-AT2-V0L a 炳Mcrtiftl1、說明：A、大部分的中低頻、要求不是特別高的振蕩電路都采用了圖1的形式，也許增加了多級反相器(可視為AB類放大器)作為Buffer，也就是說，我們用的大部分的芯片內(nèi)部就集成了圖2振蕩電路的“ A“部分，如BCM5357、RT5350、IP175D、RT8169 等； 實際上，我們使用的大部分 LVTTL/LVCOMS輸出的鐘振內(nèi)部就是這種電路； 在已停產(chǎn)的W54R產(chǎn)品上，CPU沒有集成振蕩電路，為Costdown,我們就直接使用這種電路替代鐘振；在

5、BCM6332方案的ADSL產(chǎn)品上，選用了 64Mhz 3次泛音石英晶體振蕩電路，與圖4有些類似；RF為反饋電阻，RS為串聯(lián)的隔離電阻，C1、C2為外部的負載電容；B、如圖2所示，振蕩電路可視為由兩大部分組成：放大器A，有電壓增益a相移a；反饋網(wǎng)絡(luò)F,有傳遞函數(shù)f、相移3; 振蕩電路工作條件：|t| * 間*八ejpj(a + p)kl增益：|f|：中I - i相位：(CMA) = 2fTT即閉環(huán)增益 ，相移；在振蕩電路中，石英晶體諧振器與外部匹配元件組成反饋網(wǎng)絡(luò)，其壓電效應(yīng)起 到電子v-> 機械的耦合作用，對振蕩電路起到很好的穩(wěn)頻作用；C、如圖3所示，晶振的等效電路中：CO稱為“分路/

6、靜態(tài)”電容(ShuntCapacitanee),由晶體片上的電極、封裝產(chǎn)生的寄生電容，通常約5pF ；L稱為動態(tài)電感，是由晶體機械振動產(chǎn)生的“動態(tài)臂”；通常為mH級，如100mH ； C稱為動態(tài)電容，是由晶體機械振動產(chǎn)生的“動態(tài)臂”；通常為 fF級，如0.01 pF； R稱為動態(tài)/ESR電阻，是由晶體機械振動產(chǎn)生的“動態(tài)臂”；通常為？級，如10? ； R為消耗性的，且 R越小越易起振，但制造因難；2、Frequency Toleranee 頻率誤(E1)Af =頻率誤差：也稱為調(diào)整頻差70Ppm表示百萬分之十的誤差；在室溫條件下晶振實測工作頻率fm與標稱頻率fs的相對誤差;穩(wěn)定性:dft =

7、M 1000000 (ppm)(E2)也稱為溫率頻差，指在一定溫度范圍內(nèi)晶振的工作頻率與其在室溫F下標稱頻率的相對誤差;3、串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振:圖9 ：晶振的電抗頻譜線因為R較小可以忽略，所以：Z ->0，XL=XC ：(E3)晶振阻抗：卅產(chǎn)*;當晶振工作在串聯(lián)諧振模式時，表現(xiàn)為純阻性,I串聯(lián)諧振頻率：翻I.譏“ (E4)Z ->晶振制造商會為其指定負載電容CL：并聯(lián)諧振頻率:c0 % CL(E5)因為a : 所以:I、；常見的的振蕩電路中，大多工作在并聯(lián)諧振模式下，在圖9電抗線中fs到fa的斜線區(qū)域內(nèi)，通過調(diào)整晶振的負載,都可以很好地工作，輸出頻率在 fs到fa兩者之間；“14、

8、品質(zhì)因素：。二25+爐譏(E6)Q值越高，晶振頻率的穩(wěn)定度就越高1530pF ：5、負載電容CL ：制造商設(shè)計時預(yù)設(shè)的與晶振最佳匹配的負載電容值，通常在負載電容：口*二市臣+%+廠 (E6)PCB漂不多電容：一*(E7)a:PCB走線寬度，b:PCB走線長度，E單位PCB面積的電容值，d:走線與GND的間距；最可計算出PCB走線、PAD所產(chǎn)生的分布電容難以忽視，因而PCB LAYOUT時需密切關(guān)注;II 11 * toutIC內(nèi)部及封裝電容:uuf X伽+ (心(E8)Cin:IC輸入電容，Cout:IC輸出電容，Cfb:IC晶圓電容;負載輸出頻率：" = fs"(l+2(

9、C(E9) 牽引靈敏度：r2* (co+a)(E10)表示負載電容對頻率的調(diào)節(jié)能力；FLFrblTtaq I Jp FTrinrf?ODF圖10：負載對頻率的牽弓I；CI反饋因子；4臣(E11)工作在線性區(qū)的反相器(放大器)導(dǎo)入或更高一些的相移，而C1、C2構(gòu)成的電容分壓器，在C仁C2的情況下，引入另外的IMF相移，從而滿足振蕩條件；Cf值偏大時，環(huán)路增益大，易于起振，但過大時，振蕩電路穩(wěn)定性會變差；6、反饋電阻Rf設(shè)置反相器(CMOS放大器)的輸入阻抗Ri，為滿足振蕩條件，放大器的開環(huán)增益必須>1晶振的并聯(lián)諧振電阻Rp則由負載電容CL設(shè)置；而Rp必須與Ri相匹配，因而有： RF i?i

10、 = 輸入阻抗：-( E12)RpM J?并聯(lián)諧振電阻：'切(E13)a Rp * a =；反饋電阻：(E14)實際應(yīng)用中，為獲得高輸入阻抗Ri、晶振電路良好地驅(qū)動，反饋電阻Rf通常NM?,且大多集成在IC中;7、Rs串聯(lián)的隔離電阻反相器(放大器)額外的相移:ul = fs * Delay * 弘（嚴（丘帖）Delay是反相器的傳輸延時，頻率越高、延時越大，均爐以外的相移越大，需要調(diào)節(jié)C1、C2、Rs來補償，以維護振蕩電路的穩(wěn)定性；Rs是放大輸出與晶振之間串聯(lián)的隔離電阻，除串聯(lián)隔離，其作用大致有：放大輸出的源終端匹配電阻、與Rs與C2組成低通濾波，抑制反射、高頻諧波阻尼，防EMI ；R

11、s與C2形成分壓器，拉低輸出電平、降低放大器增益，提高穩(wěn)定性；但也除低振蕩頻率、提升相移；限制放大器輸出電流，設(shè)定晶振DL值，防止晶振過驅(qū)動，保證可靠性與壽命；Rs還會影響輸出時鐘的占空 比；1(E16)通常稍小于計算式，大約在1K以內(nèi)，或者在一些場合不需要，注意！將導(dǎo)置50%的壓降，因而放大器必須能提供2或以上的增益；8、驅(qū)動電平DL,指晶振工作時消耗的功率，通常供應(yīng)商會在晶振規(guī)格書中提供這一個參數(shù)，實際應(yīng)用中需確保在這一限值之 內(nèi)：ft圖11:使用電流探頭測量晶振驅(qū)動電流I ( RMS 值)驅(qū)動電平(uW ) ： P=( E17)受儀器設(shè)備限制，可以另一種方法計算：IF= E?驅(qū)動電平(u

12、W) ： HR(E18)R為晶振動態(tài)電阻，I為實測的驅(qū)動電流，U為晶振上實測的壓降;9、起振條件的測算與分析:OW3圖12:振蕩電路等效參考模型振蕩電路環(huán)路增益等于放大器跨導(dǎo)Gm、諧振電路等效并聯(lián)電阻RL、反饋系數(shù)Cf之積，通常| = |GI|*|G2| = |gm.RL|>(E19)Cf被設(shè)置為1 ；IGninl =增益：inni11RL =» * 2216 n(CXJ 4- CLf - R (E20)因此如果推算出的增益大于1并有一定余量，則表示能正常起振;另一種方法為開環(huán)測量反相器(集成在IC中放大器)增益G2，看是否能足夠的余量來保證二-大致的測量方式為：移除晶振及外部

13、元件，使用信號源輸出合適幅值的fs時鐘到IC的XTALJn，使用雙通道示波器同時實際測量IC的XTAL_out、XTALJn信號幅值電壓，兩者比值即為開環(huán)增益G2，因為晶振及其匹配電路的G1為負增益，G2足夠高即能正常起振；10、振蕩電路的穩(wěn)定性測算與分析一一負性阻抗測量：負性阻抗簡單來講，是指從晶振的兩個Pin腳向振蕩電路看，所得到振蕩電路在諧振頻率時的阻抗特性值(注意：不是晶振、而是振而是振蕩電路-更多是放大器的參數(shù)！)；振蕩電路必需提供足夠的放大增益來補償晶振在諧振時的機械能損推出；從共振子的角度而言，就是在振蕩電路上的“負性阻抗”。負性阻抗是用來評估振蕩電路品質(zhì)Q的指標(注意：不是晶振

14、的Q值、而是包含晶振的整個整電路)，在某些情況下，如溫度漂移、電壓變化等，可能使得電路失效而停振，因而另負性阻抗的確認變得相對重要。通常，為維持穩(wěn)定的振蕩環(huán)路，振蕩電路的負性阻抗-R至少為晶振動態(tài)電阻R的5倍以上即：Rf圖13：負性阻抗的測量R最大值的5倍；A、如圖13所示，在電路上串聯(lián)電阻Rn,其初始值可設(shè)為廠商標稱動態(tài)電阻B、看晶振是否起振，如果不起振，則調(diào)小 Rn，如起振，則繼續(xù)調(diào)大Rn值；C、持續(xù)調(diào)試測量,當電路由起振到停振時,即得到L占一用增益余量：丘力通常，即便是同一批次的同型號晶振的R值可能都相差較遠，不同批次的可能相差更遠，從上面 40M晶振的規(guī)格書中可看出，標稱的最大值為40?，而樣品測試值為14.5?、8.1?，因此，增益余量高一點，對電路的起振、穩(wěn)定性有益！