微控制器振蕩器電路設(shè)計指南

1、AN2867 應(yīng)用筆記ST微控制器振蕩器電路設(shè)計指南前言大多數(shù)設(shè)計者都熟悉基于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。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關(guān)注振蕩器的設(shè)計的,而此時產(chǎn)品通常已經(jīng)量產(chǎn);許多系統(tǒng)或項目因為它們的晶振無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)計者應(yīng)當(dāng)避免一場惡夢般的情景:發(fā)往外地的產(chǎn)品被大批量地送回來。本應(yīng)用指南介紹了Pierce振蕩器的基本知識,并提供一些指導(dǎo)作法來幫助用戶如何規(guī)劃一個好的振蕩器設(shè)計,如何確定不同的

2、外部器件的具體參數(shù)以及如何為振蕩器設(shè)計一個良好的印刷電路板。在本應(yīng)用指南的結(jié)尾處,有一個簡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(針對HSE及LSE,可以幫助用戶快速上手。目錄ST微控制器振蕩器電路設(shè)計指南目錄1石英晶振的特性及模型32振蕩器原理53Pierce振蕩器64Pierce振蕩器設(shè)計74.1反饋電阻R F74.2負(fù)載電容C L74.3振蕩器的增益裕量84.4驅(qū)動級別DL外部電阻R Ext計算84.5啟動時間104.6晶振的牽引度(Pullability 10 5挑選晶振及外部器件的簡易指南 11 6針對STM32微控制器的一些推薦晶振 126.1HSE部分12

3、6.2LSE部分12 7關(guān)于PCB的提示 13 8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)生在共振頻率點上。它可用如下模型表示:圖1石英晶體模型 C0: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:(動態(tài)等效電感代表晶振機(jī)械振動的慣性。C m:(動態(tài)等效電容代表晶振的彈性。R m:(動態(tài)等效電阻代表電路的損耗。晶振的阻抗可表示為以下方程(假設(shè)R m可以忽略不計: 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:

4、F a是當(dāng)電抗Z趨于無窮大時的并聯(lián)諧振頻率(譯注:它是整個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 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,從而帶來了相當(dāng)于180 °的相移。其頻率F P(或者叫F L:負(fù)載頻率表達(dá)式如下: 從表達(dá)式(4,我們知道可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載電容C L來微調(diào)振蕩器的頻率,這就是為什么晶振制造商在其產(chǎn)品說明書中會指定外部負(fù)載電容C L值的原因。通過指定外部負(fù)載電容

5、C L值,可以使晶振晶體振蕩時達(dá)到其標(biāo)稱頻率。下表給出了一個例子來說明如何調(diào)整外部參數(shù)來達(dá)到晶振電路的8MHz標(biāo)稱頻率:表1等效電路參數(shù)實例等效元件數(shù)值R m8L m 14.7mHC m 0.027pFC0 5.57pF使用表達(dá)式(2、(3和(4,我們可以計算出該晶振的F s、F a及F P:F s = 7988768Hz,F a = 8008102Hz如果該晶振的C L為10pF,則其振蕩頻率為:F P = 7995695Hz。要使其達(dá)到準(zhǔn)確的標(biāo)稱振蕩頻率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

6、3通過一個框圖來說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。這意味著開環(huán)增益應(yīng)遠(yuǎn)大于1,到達(dá)穩(wěn)定振蕩所需的時間取決于這個開環(huán)增益。然而,僅滿足以上條件是不夠解釋為什么晶體振蕩器可以開始振蕩。為了起振,還需要向其提供啟動所需的電能。一般來說,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,這個啟動能量應(yīng)該足夠多,從

7、而能夠保證通過觸發(fā)使振蕩器在所需的頻率工作。實際上,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)都會使其不穩(wěn)定并引發(fā)振蕩啟動。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,這部分相對于噪聲的全部能量來說只是一小部分,這也就是為什么晶體振蕩器需要相當(dāng)長的時間才能啟動的原因。3 Pierce振蕩器皮爾斯振蕩器有低功耗、低成本及良好的穩(wěn)定性等特點,因此常見于通常的應(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),

8、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。4 Pierce振蕩器設(shè)計在這一節(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,從而使用戶熟悉Pierce振蕩器的設(shè)計。4.1 反饋電阻R F在大多數(shù)情況下,反饋電阻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)

9、。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頻率及對應(yīng)的反饋電阻參考值頻率反饋電阻范圍32.768kHz 10 至 25M1MHz 5 至 10M10MHz 1 至 5M20MHz 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(C s。C L值由由晶振制造商給出。保證振蕩頻

10、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計算實例:例如,如果C L =15pF,并假定C s = 5pF,則有: 即:C L1 = C L2 = 20pF4.3 振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(對于高頻的情況或者是µA/V(對于低頻的情況,例如32kHz。 g mcrit (g m critical的值取決于晶振本

11、身的參數(shù)。假定C L1 = C L2,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 Circuits: Theory and Application", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, No. 3, pp. 774-782, Jun. 1988,放大器和兩個外部電容的阻抗對晶振的RLC動態(tài)

12、等效電路的電抗有補(bǔ)償作用?；谶@一理論,反向器跨導(dǎo)(gm必須滿足:gm > gmcrit 。在這種情況下才滿足起振的振蕩條件。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)計一個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(來自FOX公司的參數(shù)如下:頻率 = 8MHz,C0 = 7pF,C L = 10pF,ESR = 80 那么該晶體能否與微控制器配合可靠起振?讓我們來計算g mcrit: 如果據(jù)此來計算增益裕量,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。如果不能滿足增益裕量起振條件(即增益裕量Gain mar

13、gin小于5,晶振無法正常起振,應(yīng)嘗試選擇一種ESR較低或/和C L較低的晶振。4.4 驅(qū)動級別DL外部電阻R Ext計算這兩個參數(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)動級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由于過度的機(jī)械振動而導(dǎo)致不能正常工作。通常由晶振制造商給出驅(qū)動級別的最大值,單位是毫瓦。超過這個值時,晶振就會受到損害。驅(qū)動級別由下述表達(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是流過晶振電流的均方根有效值,使用示波器可觀測到其波形為正弦波。電流值可使用峰-峰值(IPP。當(dāng)使用電流探頭時(如圖6,示

14、波器的量程比例可能需要設(shè)置為1mA/1mV。圖6使用電流探頭檢測晶振驅(qū)動電流 如先前所描述,當(dāng)使用限流電位器調(diào)整電流值,可使流過晶振的電流不超過I QMAX均方根有效值(假設(shè)流過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,流過晶振的電流IPP不應(yīng)超過I QMAX PP(使用峰-峰值表示,I QMAX PP表達(dá)式如下: 驅(qū)動級別可以由下式計算得出: 其中I QRMS是交流電流的均方根有效值。這個電流可以通過使用小電容(<1pF分布的示波器探頭在放大器的輸入端,測量電壓變化得到。相對于流經(jīng)C L1的電流,放大器的輸入電流可以忽略不計;因此可以假定經(jīng)過晶振的電流等于流經(jīng)

15、C L1的電流。這樣在這個點上,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端測量電壓的峰-峰值 C tot = C L1 + (C S/2 + C probe其中:C L1是放大器輸入端的外部負(fù)載電容器C S是分布電容C probe是探頭的電容量這樣,驅(qū)動級別可以由下式得出: DL數(shù)值必須超過由晶體廠家提供的驅(qū)動級別數(shù)值。這個電阻的作用是限制晶振的驅(qū)動級別,并且它與C L2組成一個低通濾波器,以確保振蕩器的起振點在基頻上,而不是在其他高次諧波頻率點上(避免3次,5次,7次諧波頻率。如果晶振的功耗超過晶振制造商的給定值,外部電阻R

16、Ext是必需的,用以避免晶振被過分驅(qū)動。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R Ext值的預(yù)估可以通過考慮由R Ext和C L2的電壓分壓R Ext/C L2實現(xiàn)(注意到R Ext和C L2構(gòu)成了一個分壓/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足晶

17、振驅(qū)動級別的需要,此時電位器的值即是C L2值。注意:在計算完R Ext值后要重新計算Gain margin的值(請參考4.3節(jié)以確保R Ext值對起振條件沒有影響。例如,R Ext值的值需要加入到ESR中參與g mcrit的計算,同時要保證g m >>g mcrit 注意:如果RExt值太小,晶振上可能會承擔(dān)太多的功耗。如果RExt值太大,振蕩器起振條件將得不到滿足從而無法正常工作。4.5 啟動時間啟動時間是指振蕩器啟動并達(dá)到穩(wěn)定所需的時間。這個時間受外部C L1和C L2電容影響,同時它隨著晶振頻率的增加而減少。不同種類的晶振對啟動時間影響也很大,石英晶振的啟動時間比陶瓷晶振的

18、啟動時間長得多。起振失敗通常和Gain margin有關(guān),過大或過小的C L1和C L2,以及過大的ESR值均可引起Gain margin不能滿足起振條件。頻率為MHz級的晶振的啟動時間是毫秒級的。而32kHz的晶振的啟動時間一般要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)載電容的減少會導(dǎo)致頻率的增加,反之負(fù)載電容的增加會導(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易指南 5 挑選晶振及外部器件的簡易指南 本節(jié)給出了一個挑選合適的晶

19、振及外部器件的簡易指南，一共可分為3個主要步驟： 第一步：增益裕量(Gainmargin計算 (請參考4.3節(jié)：振蕩器的增益裕量 選擇一個晶振(參考MCU的數(shù)據(jù)手冊確定晶振的頻率 計算晶振的增益裕量(Gainmargin并檢查其是否大于5： 如果Gainmargin < 5，說明這不是一個合適的晶振，應(yīng)當(dāng)再挑選一個低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)載電容的計算 (請參考4.2節(jié)：負(fù)載電容CL 計算CL1和CL2的值，并檢查標(biāo)定為該計算值的電容是否能在市場上獲得。 如果能找到容值為計算值的電容，則晶振可以在期

20、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算值的電容： 該應(yīng)用對頻率要求很高，你可使用一個可變電容并將其調(diào)整到計算值，然后轉(zhuǎn)到第三步。 如果對頻率的要求不是特別苛刻，選擇市場上能獲得的電容中容值距計算值最近的電容， 然后轉(zhuǎn)到第三步。 第三步：驅(qū)動級別及外部電阻的計算 (請參考4.4節(jié)：驅(qū)動級別DL外部電阻RExt計算 計算驅(qū)動級別DL并檢查其是否大于DLcrystal： 如果 DL < DLcrystal，沒必要使用外部電阻，祝賀你，你找到了合適的晶振。 如果 DL > DLcrystal，你應(yīng)該計算 RExt 使其確保 DL< DLcrystal 并據(jù)此重新計算 Gainmargin。 如果 Gainmargin> 5，祝賀你，你找到了合適的晶振。 如果 Gainmargin< 5，你別無選擇，再重新挑選另外一個晶振吧。然后重新回到第一步。 11/14 參照2009年1月 AN2867 英文第1版 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題。 另外，振蕩器電路旁邊要避免有高頻信號經(jīng)過。 2. 走線長度越短越好。 3. 接地平面用于信號隔離和減少噪聲。例如：在晶振的保