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文檔簡介

第第頁為什么單片機(jī)的晶振旁邊要加電容呢?

引言

說到“晶振”,或者晶體(諧振器)(Crystalresonator),你一定不陌生,很多(電子產(chǎn)品)中都有它的身影,網(wǎng)上隨便一搜就可看到很多:

特別的,如果你有帶(電子)手表的習(xí)慣,那么拆開手表,里面驅(qū)動計(jì)時的就是一顆晶振,它有著36.768KHz的振蕩頻率

為什么是36.768KHz這個頻率?這里我們暫且不表,先來講述一些關(guān)于晶振的基本概念。

一、晶振的壓電效應(yīng)

我們把晶振的外殼去除,可以看到內(nèi)部是一種半透明的材質(zhì),外加兩個引出的電極引腳

這種半透明的材質(zhì)叫做“石英”晶體(Quatz)。石英由硅元素(Si)和氧元素(O)構(gòu)建而成,結(jié)晶時,其原子在空間上排列非常規(guī)則(白色代表Si,紅色代表O)。

由于這種空間上的特殊排列組合,在沒有被擠壓的時候,晶格的中心位置上正負(fù)電抵消,是0電勢,但是當(dāng)受到外在壓力時,晶格的中心位置上的電勢會偏移,從而產(chǎn)生電壓。

這種現(xiàn)象就是“壓電效應(yīng)”:當(dāng)對壓電材料施以壓力時,能產(chǎn)生電;反過來,當(dāng)給壓電材料通電,能產(chǎn)生形變。

譬如,我們用對石英晶體進(jìn)行敲打,能用(萬用表)測得電壓的變化。

可以想象,石英這種壓電材料,其實(shí)質(zhì)就是將(機(jī)械)能和電能相互轉(zhuǎn)換,所以有時也被稱為“換能器”(Tran(sd)ucer)。

特別的,每種材料都有自己的共振頻率,如果施加的是交流電,電的頻率和材料本身的共振頻率一致,能量就會在機(jī)械能和電能最大化轉(zhuǎn)換。這種共振頻率取決于石英晶體的切割方式,如由石英晶體的尺寸(厚度)、形狀、振動模式等因素來決定。

圖6-晶振振動模式(手表里通常都是音叉式晶振,對照圖2)

二、晶振的阻抗特性

晶振本身只是一種單純的壓電材料,為了電學(xué)上的計(jì)算分析,我們繪制它的等效電路:

圖7-晶振的等效電路

等效電路分為兩部分:一部分是Lm、Cm、Rm構(gòu)建的串聯(lián)電路,這部分代表著晶振在發(fā)生形變振動時的效果,老外也將其稱為晶振的運(yùn)動(Mo(ti)onal)參數(shù);另一部分是一個C0并聯(lián)在LCR電路上,這個C0的容值比Cm要大很多,代表了兩個電極引腳產(chǎn)生的分布或寄生(電容)。

這種電路組合意味著晶振有兩個諧振頻率,一個是由Lm、Cm、Rm串聯(lián)電路形成的諧振頻率Fs;另一個是Lm、Cm、Rm整體與C0并聯(lián)電路形成的諧振頻率Fp:

圖8-晶振的阻抗特性曲線(紅線)

當(dāng)晶振上通過的(信號)頻率:

小于Fs時,電路更顯容性;等于Fs時,容性阻抗和感性阻抗相互抵消,電路呈現(xiàn)純阻性,電路整體阻抗最?。淮笥贔s時,電路更顯感性;等于Fp時,C0與Lm、Cm、Rm(顯感性)形成LC并聯(lián)諧振電路,電路呈現(xiàn)純阻性,電路整體阻抗最大;大于Fp時,電路更顯容性;我們來看一下Fs和Fp的計(jì)算公式:

圖9-晶振串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率計(jì)算

由于Lm很大(數(shù)百mH甚至更大),C0相比Cs也很大,這導(dǎo)致Fs和Fp是非常接近的。實(shí)際上晶振的工作頻率(標(biāo)稱頻率)就是處于Fs和Fp之間的某個頻率值。

那你說晶振看起來就是一個LC電路啊,那直接用LC來做就行了,費(fèi)這么大勁搞什么壓電效應(yīng)這是何必呢?

這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)當(dāng)中,出于成本、工藝、體積等考慮,使用LC等(元器件)搭建的電路,很難做到像晶振里等效Lm(電感很大)、Rm((電阻)很?。┑某潭?,而這些參數(shù)和LC電路的品質(zhì)因素Q有關(guān)系:

圖10-晶振的品質(zhì)因素計(jì)算

晶振的Q一般能達(dá)到數(shù)千的數(shù)值,而普通LC電路的Q只有數(shù)百的數(shù)值。Q越大,選頻能力越好,振蕩越穩(wěn)定。這就是晶振相比傳統(tǒng)LC電路的優(yōu)勢。

三、晶振的振蕩電路——皮爾斯(振蕩器)((Pi)erceOscillat(or))

說了這么多,你應(yīng)該理解了,平時所謂的“晶振”,只是一種基于壓電材料的元器件,而且計(jì)算上就把它當(dāng)做是LC電路來分析。作為LC類被動型元器件,它可以用于濾波或者相移,但本身不是振蕩器,還需要依靠額外的電路才能獲得穩(wěn)定振蕩。這就要說到振蕩器模型:

圖11-振蕩器模型

如果連續(xù)看過本期系列文章,就知道這個模型出現(xiàn)過多次,晶振的角色肯定是位于反饋(網(wǎng)絡(luò))里的。根據(jù)Barkhausen(巴克豪森)準(zhǔn)則,在振蕩頻率上,晶振要實(shí)現(xiàn)反饋信號和輸入信號(熱噪聲)滿足0相位差,起到正反饋的作用。怎么實(shí)現(xiàn)呢?這就說到皮爾斯振蕩器了:

圖12-皮爾斯振蕩器(PierceOscillator)

上圖中,線框起來的部分一般都在(單片機(jī))內(nèi)部實(shí)現(xiàn),如(STM32)就是這樣的,但也有例外的單片機(jī)。兩個C1和C2統(tǒng)稱為負(fù)載電容(通常為數(shù)十個pF),(Rs)為串聯(lián)電阻,(Rf)為反饋電阻,運(yùn)放作為反向器。

為了更好的理解皮爾斯振蕩器的(工作原理),我們將上述電路圖改畫如下:

圖13-皮爾斯振蕩器-電路圖

上圖,由于運(yùn)放作為反向器,對信號相位改變180°。那么,整個Rs、C1、C2、晶振構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)的整體相移也需是180°。其中,Rs和C1構(gòu)成一個RC電路,具體相移多少由兩者參數(shù)而定,但RC電路相移肯定小于90°。這意味著晶振和C2上的相移必定要大于90°才行。

回顧圖7的晶振阻抗特性曲線,只有當(dāng)晶振作為一個電感的時候,晶振和C2上的相移才能大于90°。也就是說,晶振的振蕩頻率要求在Fs和Fp之間。

實(shí)際上,所謂的晶振“標(biāo)稱頻率”,如4MHz、8MHz、16MHz,都是在指附加了某個負(fù)載電容情況下測得的,這點(diǎn)從晶振的規(guī)格書上可以看到:

圖14-晶振規(guī)格書-負(fù)載電容(見圖中“Lo(ad)Capacitance”)

可以理解為,負(fù)載電容是晶振正常工作的一部分。

最后,我們來看一下皮爾斯振蕩器的(仿真)電路圖效果:

圖15-皮爾斯振蕩器-仿真電路圖效果

四、總結(jié)

今天介紹了晶振的壓電效應(yīng)、等效電路、以及振蕩器電路。(MCU)晶振旁邊通常要加上負(fù)載電容,因?yàn)樗鼈兪钦袷幤髌鹫竦囊徊糠?,而不是為了濾波。

值得注意的是,今天說的晶振通常指的是“晶體諧振器”(CrystalResonator),它是無源的,需要借助外部振蕩

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