文档介绍：2015年9月15日
MCU晶体振荡电路的设计
MCU晶体振荡电路的设计
张明峰
内容简述
晶体原理
振荡电路原理
测量方式
系统设计
晶体原理
C0: 制造晶体时电极引入的并联电容
Lm: 晶体振动时表现出的感抗
Cm: 晶体振动时表现出的容抗
Rm: 晶体振动时表现出的阻抗(损耗)
考虑到Rm的值可以忽略不计,晶体的交流等效阻抗表达式为:
晶体振荡区域
FS:晶体固有串联谐振频率,Z=0
FA:晶体串联失谐频率,Z趋于无穷大
晶体呈现感抗
需要外接并联负载电容,使并联谐振频率为晶体手册标称频率
FS和FA之间阴影区为晶体并联振荡工作区
对于给定晶体,不同的CL决定了不同的振荡频率
晶体参数实例
CL
ESR
C0
ESR
C0
CL
典型的MCU振荡电路构成
MCU片内置反相器,提供振荡环路增益,并产生180度相移(有些MCU可以配置反相器的增益)
RF电阻为片内反相器提供一个线性工作区(有些MCU把RF集成在片内)
C1和C2为移相电容,每个分别产生90度移相,结合反相器的180度移相,环路总计正好是360度移相
若不考虑实际电路存在的分布寄生电容,C1和C2的串联等效值,就是晶体并联谐振的CL值!!!
Rx为驱动衰减电阻,避免晶体过激励
RF反馈偏置电阻的作用
RF使片内反相器工作于图中斜线所示的线性放大区
OSC1和OCS2偏置于VDD/2
需参考具体MCU的数据手册选择合理的阻值
例如:
负载电容CL的计算
C1/C2串联等效值
电路寄生电容
一般电路设计,CS 约为5-7pF
C1和C2必须为高频特性良好低ESR的陶瓷电容(C0G材质),取值可以不同
所得的CL必须符合晶体厂家提供的器件参数规范
晶体激励功率DL和RX
示波器有源电流探头测IQ
实测振荡电路电流RMS值
参考晶体参数手册得到最大允许激励功率
典型值50uW-100uW
最大值500uW~1mW
调整RX值,确保DL不超过最大值
晶体获得的激励功率:
晶体激励功率测算(方法2)
Ctot
CL1 反相放大器输入端电容
CS 电路寄生电容
Cprobe 示波器探棒接入电容(< 1pF)
Vpp为示波器所测得反相放大器输入端波形峰峰值