AN2867_ST微控制器振蕩器電路設計指南

1、.AN2867Application noteOscillator design guide for ST microcontrollers簡介：大部分設計人員對振蕩器（Pierce-Gatetopology皮爾斯門結構 ）都很熟悉，但真的明白它是如何工作的人并不多，更甭提設計一個合適的振蕩器了。實際上 ，很多設計人員并未真正關注過振蕩器的設計，直到他們發(fā)現(xiàn)振蕩器不正常運行了 （通常這時產(chǎn)品已經(jīng)投產(chǎn)了）。這本是不應該發(fā)生的。許多系統(tǒng) 、工程項目的拖延就僅僅是因為一個振蕩器沒有工作在預計的狀態(tài)上。振蕩器應該在產(chǎn)品設計階段就得到足夠的重視，并且最好是在投產(chǎn)之前。這樣設計人員才可能避免大批產(chǎn)品被退回

2、來返修那噩夢樣的場景。本應用筆記將介紹皮爾斯（Pierce ）振蕩器的基本原理，并為如何設計一個優(yōu)良的振蕩器提供指導。同時也會說明如何選取不同的外圍元件，并就怎樣為振蕩器設計一個優(yōu)良的PCB 提供指導 。本文檔的最后部分就如何選取合適的晶體和外圍元件提供一個簡單的指導，并列出一些為 STM32 和 STM8A/S 推薦的晶體型號 （HSE和 LSE），以方便快速開始一個設計 。.專業(yè)專注.1. 石英晶體的特性和模型 （ Quartz crystal properties and model ）石英晶體是一種壓電器件，它能夠實現(xiàn)電能和機械能的互相轉換。這個轉換發(fā)生在諧振頻率處 。石英晶體的等效模

3、型如下：Figure 1. Quartz crystal modelC0：代表電極引入的并聯(lián)電容Lm：（振蕩電感 ）代表晶體的振蕩量Cm：（振蕩電容 ）代表晶體的振蕩彈性Rm：（振蕩電阻 ）代表電流損耗晶體的阻抗計算式如下 ：（假設 Rm 是可以忽略的 ）圖 2 是晶體在頻域內(nèi)的阻抗曲線。Figure 2. Impedance representation in the frequency domain.專業(yè)專注.Fs是晶體在 Z=0 時的串聯(lián)諧振頻率 。它的表達式可以從等式 （1）中推導出來：Fa 是反諧振頻率 ，此時的 Z 趨于無窮大 。 從等式（ 1）中可以推導出它的表達式為：由 Fs

4、和 Fa界定的區(qū)域被稱作為并聯(lián)諧振區(qū)域 （圖 2 中的陰影部分 ）。在這段區(qū)域內(nèi) ，晶體工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)下 ，其表現(xiàn)像一個電感 ，會在環(huán)路中增加180 度的相移 。它的頻率 Fp（或 FL：負載頻率 ）的表達式如下 ：從等式 4 中可以看出 ，晶體的振蕩頻率能夠通過使用不同的負載電容CL 進行調校 。 這也就是為什么晶體制造商會在他們的晶體數(shù)據(jù)手冊內(nèi)指明晶體振蕩在標定的頻率上時所需要的精確的負載電容CL 值。表 1 給出了一個標定為8MHz 的晶體，其等效電路元件值的例子。.專業(yè)專注.表 1 等效電路的參數(shù)的例子通過等式 （ 2）、（ 3）、（ 4）我們可以算出這個晶體的Fs，F(xiàn)a， Fp：

5、Fs = 7988768 Hz ，F(xiàn)a = 8008102 Hz如果該晶體電極上的負載電容CL 等于 10pF,則該晶體將振蕩在如下的頻率上：Fp = 7995695 Hz如果要精確的得到8MHz 的振蕩頻率 ，則 CL 應等于 4.02 pF。2. 振蕩器理論一個振蕩器包含一個放大器和一個提供選頻的反饋網(wǎng)絡。圖 3 是這個基本原理的框圖 ：圖 3 振蕩器原理 A(f) 是放大器的復轉移函數(shù)（ complextransferfunction ），為保持振蕩.專業(yè)專注.器的振蕩提供能量 。 B(f) 是反饋的復轉移函數(shù) （complex transfer function ），用來設置振蕩器的頻

6、率 。為了能夠振蕩 ，必須要滿足以下Barkhausen 條件：閉環(huán)增益大于1；總相移為 360 度。即：啟動振蕩器需要有一個初始的電能量。上電的瞬間以及噪聲都可以提供這種能量 。 但是，這個能量必須足夠大到可以觸發(fā)振蕩器振蕩在設計的頻率上。數(shù)學表達式為 ：這個表達式意味著開環(huán)增益必須遠大于1。 振蕩器達到穩(wěn)定所需要的時間就取決于這個開環(huán)增益 。滿足了振蕩條件并不足以解釋晶體振蕩器為什么可以起振。實際上 ，之所以能夠起振 ，是因為在滿足了振蕩條件后，那個放大器是非常不穩(wěn)定的，從正反饋網(wǎng)絡中引入的任何一點干擾都會導致放大器的失穩(wěn)并導致起振。這個干擾可以歸因于一個上電，一個使能電平的跳變，或者是晶

7、體的熱噪聲，等等。另外值得注意的是 ，只有落在串 - 并頻率范圍內(nèi)的噪聲能夠被放大（譯注：“串 - 并頻率范圍 ”是指圖 2 中 Fa 到 Fs 之間的頻率 ）。這表示能夠觸發(fā)振蕩的頻率范圍是很小的 ，這也就解釋了為什么晶體振蕩器需要如此長的時間才能啟動。.專業(yè)專注.3. 皮爾斯振蕩器 （ Pierce oscillator）皮爾斯振蕩器 （Pierce oscillator ）在各種應用中使用的非常普遍，因為它功耗低，成本低，并且穩(wěn)定性好 。圖 4 皮爾斯振蕩器 （Pierce oscillator ）電路Inv ：內(nèi)部的反向器 ，作為放大器來工作 。Q：石英晶體或者陶瓷諧振器。RF：內(nèi)部反

8、饋電阻 。RExt：外部電阻 ，用于限制反向器的輸出電流。CL1 和 CL2：兩個外部負載電容 。Cs： MCU 引腳（OSC_IN 和 OSC_OUT）間和 PCB 線路上的雜散電容 ，它是一個并聯(lián)電容 。4. 皮爾斯振蕩器的設計（Pierce oscillator design）本章講解各種限定因素，以及如何為它們?nèi)≈?，進一步熟悉皮爾斯振蕩器.專業(yè)專注.（ Pierce oscillator ）的設計 。4.1 反饋電阻 RF（Feedback resistor RF）在大多數(shù)的 ST微控制器中 ，RF 是嵌入在振蕩器電路內(nèi)部的，它的作用是使反向器作為放大器工作 。 該反饋電阻被并接在Vi

9、n 和 Vout 上，這樣就使放大器的 Vout = Vin ，從而強制它運行在線性區(qū)內(nèi) （圖 5 中的陰影區(qū)域 ）。放大器會把處于串 - 并頻率范圍 （ Fa，F(xiàn)s）（譯注：原文為 （Fa, Fa），應是有誤 ）內(nèi)的噪聲放大 （例如，晶體的熱噪聲 ）。這個噪聲會引發(fā)振蕩器起振 。 在某些情況下，當振蕩器的振蕩穩(wěn)定后將 RF 移走，振蕩器仍可以繼續(xù)正常的運行 。圖 5 反向器的轉移函數(shù)表 2 是 RF的典型值 。表 2 在給定的頻率下的典型 RF 值.專業(yè)專注.4.2 負載電容 CL （Load capacitor CL）負載電容是指與晶體振蕩器相連的電路中的所有電容。它的值取決于外接電容 C

10、L1、CL2，以及 PCB 和連接點上的雜散電容 （Cs）。負載電容 CL 由晶體制造商指定 。值得注意的是 ，若要得到精確的頻率，振蕩器電路的負載電容必須與所需要的值相等 ；若要頻率保持穩(wěn)定 ，則負載電容必須穩(wěn)定 。外接電容 CL1 和CL2 就是為了把負載電容調校為制造商所指定的CL 值。下面的等式給出了負載電容CL 的表達式 ：下面舉一個例子說明外接電容CL1、CL2 的值的計算 ：假設某晶體的負載電容CL 值為 15pF，且 Cs=5pF，則：4.3 振蕩器的增益裕量 （Gain margin of the oscillator）增益裕量是一個關鍵參數(shù)，它決定著振蕩器是否能夠起振。它的

11、表達式是：.專業(yè)專注.其中， gm 是反向器的跨導 （在高頻模塊中的單位是mA/V ，在 32KHz 低頻模塊中的單位是A/V） gmcrit （g m 的臨界值），取決于晶體的參數(shù) 。假設 CL1 = CL2，并且晶體上的負載電容與制造商的給定值完全一樣，則 gmcrit 可用下式來表示 ：，式中 ESR 的意思是等效串聯(lián)電阻（ equivalent series resistor ）根據(jù) Eric Vittoz 理論：晶體動態(tài)的等效RLC 電路的阻抗由放大器和兩個外接電容的阻抗作補償 。由此理論 ，反向器的跨導 （ gm ）的值必須滿足gm > gmcrit ，這是振蕩器能夠正常運行

12、的必要條件 。 通常認為 ，增益裕量值為5 是保證振蕩器有效起振的最小值。舉個例子 ，為某微控制器中g m 值為 25 mA/V 的振蕩器做設計時 ，我們選擇了具有以下特性的石英晶體： frequency = 8 MHz，C0 = 7 pF ，CL = 10 pF ，ESR = 80 ，問此晶體是否可以用于此微控制器？我們首先計算一下g mcrit ，然后計算 gain margin ，可見，gain margin 值遠大于5，滿足起振條件 ，能夠起動振蕩器 。晶體能夠.專業(yè)專注.正常振蕩 。如果計算后發(fā)現(xiàn) gain margin 值不合適 （增益裕量 gain margin 值小于 5），則

13、達不到振蕩條件 ，晶體將不能振蕩 。這時你只能再選擇一個有更低ESR和/ 或有更低 CL 值的晶體了 。4.4 驅動功率和外接電阻的計算（ DrivelevelDL andexternalresistor R Ext calculation）驅動功率與外接電阻緊密相關，因此在本章中將兩者一并討論。計算驅動功率 （Calculating drive level DL）驅動功率就是指晶體內(nèi)消耗的功率。它必須被限制在一定范圍內(nèi)，否則晶體會因過度的機械振動而損壞。最大驅動功率由晶體制造商指定，單位通常用mW 。超過指定的驅動功率 ，可能會導致晶體損壞 。驅動功率可以用這個表達式來表示：其中， ESR是

14、等效串聯(lián)電阻 （由制造商指定 ）。 IQ 是流過晶體的電流的有效值 （均方根）。流過晶體的電流可以通過示波器觀測到 ，它是一個正弦曲線 。電流值可以通過測量峰 - 峰值（ IPP）讀出 。如果使用電流探針 （如圖 6 所示 ）， 示波器上電壓網(wǎng)格的尺度就可以轉換為1mA/1mV。.專業(yè)專注.圖 6 使用電流探針測量驅動電流由前面所述的可知 ，在用電位計調節(jié)流過晶體的電流時，電流值不可以超過 IQmax 的有效值 （均方根）（假設流過晶體的電流是完全正弦的 ）。由此，可以反推出 IQmax ：（譯注：IQ maxPP 為正弦波的峰 - 峰值，為求有效值 IQ max，需先將峰 - 峰值除以2 ，

15、再除以。交流電有效值的推導過程：原理是總功耗相等，即，假設電阻 R=1，單位正弦電壓峰值為1V ，對正弦電壓求平方 ，再求其周期內(nèi)的積分得，得到。）流過晶體的電流值（從示波器上讀到的峰- 峰值）不可以超過最大峰 - 峰值電流 IQmaxPP，由上式可以得到其最大值為：.專業(yè)專注.因此，當實際電流 IQ 超過了 IQmaxPP 時，需要加上一個外接電阻RExt（參考節(jié)）。這時該電阻是電路中不可缺少的一部分，相應地，在計算 IQmax的表達式中會增大那個ESR的值 。另一種測量驅動 功率 的方 法（ Anotherdrivelevelmeasurementmethod ）驅動功率可以按下式計算：其

16、中，IQRMS 是交流電流的有效值 （均方根）。電流值可以通過使用一個低電容值（不大于1pF）的示波器探針測量放大器輸入端的電壓波形計算得出。因為相對于 CL1 而言，流入放大器的電流稍不足道，所以我們可以假設流過晶體的電流等于流過CL1 的電流 。因此 ，這一點上的電壓有效值 （均方根）與電流有效值 （均方根）的關系為 ：（譯注：電容阻抗 z=1/(2*pi*F*C) ；所以電流 IV/z 可推出上式 。）其中， F 為晶振的頻率其中， Vpp 是 CL1 上的電壓峰峰值 Ctot = C L1 + (Cs/2) + Cprobe ，其中：CL1 是放大器輸入端的外接負載電容.專業(yè)專注.Cs

17、 是雜散電容Cprobe 是探針電容因此可以按下式計算驅動功率DL：該 DL 值必須小于晶體制造商指定的驅動功率值。4.4.3 計算外接電阻 R（Calculating external resistor RExt）Ext這個電阻的作用是限制晶體的驅動功率。 它和 CL2 一起構成了一個低通濾波器，強制振蕩器工作在基波頻率上，而不是其他高次諧波（防止振蕩器振蕩在3，5，7 倍的基波頻率上 ）。如果晶體上的功率耗散大于制造商的指定值，則外接電阻RExt 是必須的 ，以避免晶體被過驅動 ；如果晶體上的功率耗散小于制造商的指定值 ，則不建議加入外接電阻ExtR ，或者它的值為 0?？梢酝ㄟ^計算由RE

18、xt/CL2 構成的分壓來估算外接電阻Ext的初始值 。即令RRExt 等于 CL2 的容抗 。 如下：例如，假設： 振蕩頻率F = 8 MHz CL2 = 15 pF則可以算出 RExt 的值為 1326 。推薦使用下面的方法優(yōu)化外接電阻RExt：先以之前介紹的方法選擇CL1 和CL2，然后在 RExt 的位置初始放置一個值等于CL2 的容抗的分壓電阻 。然后不斷.專業(yè)專注.微調這個分壓電阻的值 ，直到得到符合要求的輸出和驅動功率。注意：在計算完 RExt 的值以后 ，建議重新計算增益裕量 （參考 4.3 節(jié)，振蕩器的增益裕量）以確保增加的電阻不會影響振蕩器的起振條件。也就是說 ，gmcri

19、t 表達式中的 ESR還要加上 RExt，并且依然要滿足g m >> g mcrit 的條件：注：如果 RExt 太低，晶振上就沒有功率耗散 ；如果如果 RExt 太高，就不會產(chǎn)生振蕩 ，因為不滿足起振條件。（ 原文 ： If RExt is toolow, thereis no powerdissipation in the crystal. If RExt is too high, there is no oscillation: the oscillation condition isnot reached.譯注：這句話想表達的意思沒弄明白。貌似是原文檔寫錯 / 反了吧 。推

20、測它想表達的實際意思應該是 Rext阻值越大越好 ，可有效防止晶振被過驅動，但太大會導致 Gmargin 過小，不能起振 。）4.5 啟動時間 （Startup time）這是振蕩器從開始起振到振蕩穩(wěn)定的時間。石英諧振器的啟動時間要比陶瓷諧振器的長 。啟動時間取決于 ：外接電容 CL1 和 CL2；晶體的振蕩頻率 ，頻率越高啟動時間越短；所選用的晶體類型 ，相比較而言 ，石英諧振器的啟動時間遠長于陶瓷諧振器。啟動問題通常可歸因于增益裕量（如前面所述的那樣 ），與之相關的是 CL1.專業(yè)專注.和 CL2 過小或過大 ，或者是 ESR太大了 。一個 MHz 級的晶體 ，啟動時間一般是ms 級。32

21、kHz 晶體的啟動時間一般在1-5s 范圍內(nèi) 。4.6 晶體牽引度 （pullability）晶體牽引度 （ Pullability ）是指在通常的并聯(lián)諧振應用中晶體頻率的改變。它也是對晶體在負載電容按指定規(guī)律變化時所對應的頻率變化的一個測量。負載電容減小會導致頻率增大；相反的 ，負載電容增大會導致頻率減小。晶體牽引度（Pullability ）可用下式表示 ：5. 輕 松 選 擇 合 適 晶 體 和 外 圍 器 件 的 指 導 （ Easy guideline for the selection of suitable crystal andexternal components）本章給出了

22、選擇合適晶體和外圍器件的推薦流程。整個流程可分解為三個步驟：步驟一：計算增益裕量 。（ 請參考 4.3 節(jié)：振蕩器的增益裕量 ） 選擇一個晶體 ，然后找到控制器的參考手冊（選擇晶體 + 微控制器數(shù)據(jù)手冊）計算微控制器中振蕩器的增益裕量，查看它是否比 5 大：如果增益裕量小于5，該晶體不合適 ，再選擇其他具有較低ESR 或/ 和有較.專業(yè)專注.低 CL 的晶體，然后重復步驟一 。如果增益裕量大于5，進入步驟二 。步驟二：計算外接負載電容 。（ 請參考 4.2 節(jié)：負載電容 CL）計算 CL1 和 CL2，查看是否能夠在市場上買到它們： 如果你能買到與你的計算值完全一樣的電容，振蕩器就會工作在預期

23、的頻率上，你可以進入步驟三了 。 如果你沒有買到那個值的電容，并且： 頻率精度對你而言非常關鍵，你可以使用一個可調電容以獲得精確的值。然后你可以進入步驟三了。你對頻率精度的要求并不嚴格，就選擇一個在市場上能買到的值最接近的電容，然后進入步驟三 。步驟三：計算驅動功率和外接電阻。（請參考 4.4 節(jié)：驅動功率和外接電阻的計算） 計算 DL，然后比較它與 DLcrystal 誰大誰小 ：如果 DL < DLcrystal ，不需要增加外接電阻 。恭喜你選到了一個合適的晶體！如果 DL > DL crystal ，你應該再計算 RExt 以滿足 DL < DL crystal 。然

24、后你還需要把 RExt 代到增益裕量的計算公式中重新計算增益裕量。如果增益裕量 >5 ，恭喜你，你找到了一個合適的晶體！如果增益裕量太小 ，這個晶體將不能正常工作，你只能再重新選擇一個晶體了?；氐讲襟E一 ，選擇一個新的晶體吧 。.專業(yè)專注.6. 推薦一些適合 STM32 MCU 用的晶體（略）7. 推薦一些適合 STM8 MCU 用的晶體（略）8. 一些 PCB 的提示 （ Some PCB hints）1.必須避免引入過多的雜散電容和電感，因為它們可能會使振蕩器進入到2.3.非預期的狀態(tài) ，并產(chǎn)生啟動問題 。 高頻信號盡量不要靠近振蕩器電路。盡可能地縮短布線長度 。使用地平面隔離信號 ，減少噪聲 。 例如在最靠近晶振保護環(huán)路（譯注：指器件或走線外圍成一圈用于屏蔽干擾的導線環(huán)，一般要求理論上沒有電流從該導線環(huán)上經(jīng)過 ）的另一個板層上鋪設一層