晶体电路设计指南

AN2867应用笔记ST微控制器振荡器电路设计指南前言大多数设计者都熟悉基于Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的振荡器，但很少有人真正了解它是如何工作的，更遑论如何正确的设计。我们经常看到，在振荡器工作不正常之前，多数人是不愿付出太多精力来关注振荡器的设计的，而此时产品通常已经量产；许多系统或项目因为它们的晶振无法正常工作而被推迟部署或运行。情况不应该是如此。在设计阶段，以及产品量产前的阶段，振荡器应该得到适当的关注。设计者应当避免一场恶梦般的情景：发往外地的产品被大批量地送回来。本应用指南介绍了Pierce振荡器的基本知识，并提供一些指导作法来帮助用户如何规划一个好的振荡器设计，如何确定不同的外部器件的具体参数以及如何为振荡器设计一个良好的印刷电路板。在本应用指南的结尾处，有一个简易的晶振及外围器件选型指南，其中为STM32推荐了一些晶振型号(针对HSE及LSE)，可以帮助用户快速上手。参照2009年1月AN2867英文第1版本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本目录ST微控制器振荡器电路设计指南目录1石英晶振的特性及模型32振荡器原理53Pierce振荡器64Pierce振荡器设计74.1反馈电阻RF74.2负载电容CL74.3振荡器的增益裕量84.4驱动级别DL外部电阻RExt计算84.4.1驱动级别DL计算84.4.2另一个驱动级别测量方法94.4.3外部电阻RExt计算104.5启动时间104.6晶振的牵引度(Pullability)105挑选晶振及外部器件的简易指南116针对STM32™微控制器的一些推荐晶振126.1HSE部分126.1.1推荐的8MHz晶振型号126.1.2推荐的8MHz陶瓷振荡器型号126.2LSE部分127关于PCB的提示138结论142/14参照2009年1月AN2867英文第1版本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本AN2867石英晶振的特性及模型3/14参照2009年1月AN2867英文第1版本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本1石英晶振的特性及模型石英晶体是一种可将电能和机械能相互转化的压电器件，能量转变发生在共振频率点上。它可用如下模型表示：图1石英晶体模型C0：等效电路中与串联臂并接的电容(译注：也叫并电容，静电电容，其值一般仅与晶振的尺寸有关)。Lm：(动态等效电感)代表晶振机械振动的惯性。Cm：(动态等效电容)代表晶振的弹性。Rm：(动态等效电阻)代表电路的损耗。晶振的阻抗可表示为以下方程(假设Rm可以忽略不计)：图2石英晶振的频域电抗特性其中Fs的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注：它是Lm、Cm和Rm支路的谐振频率)，其表达式如下：Fa是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率(译注：它是整个等效电路的谐振频率)，使用等式(1)，其表达式如下：AN28674/14参照2009年1月AN2867英文第1版石英晶振的特性及模型在Fs到Fa的区域即通常所谓的：“并联谐振区”(图2中的阴影部分)，在这一区域晶振工作在并联谐振状态(译注：该区域就是晶振的正常工作区域，Fa－Fs就是晶振的带宽。带宽越窄，晶振品质因素越高，振荡频率越稳定)。在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180°的相移。其频率FP(或者叫FL:负载频率)表达式如下：从表达式(4)，我们知道可以通过调节负载电容CL来微调振荡器的频率，这就是为什么晶振制造商在其产品说明书中会指定外部负载电容CL值的原因。通过指定外部负载电容CL值，可以使晶振晶体振荡时达到其标称频率。下表给出了一个例子来说明如何调整外部参数来达到晶振电路的8MHz标称频率：表1等效电路参数实例等效元件数值Rm8ΩLm14.7mHCm0.027pFC05.57pF使用表达式(2)、(3)和(4)，我们可以计算出该晶振的Fs、Fa及FP：Fs=7988768Hz，Fa=8008102Hz如果该晶振的CL为10pF，则其振荡频率为：FP=7995695Hz。要使其达到准确的标称振荡频率8MHz，CL应该为4.02pF。本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本AN2867振荡器原理5/14参照2009年1月AN2867英文第1版本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本2振荡器原理振荡器由一个放大器和反馈网络组成，反馈网络起到频率选择的作用。图3通过一个框图来说明振荡器的基本原理。图3振荡器的基本原理其中：●A(f)是放大器部分，给这个闭环系统提供能量以保持其振荡。●B(f)是反馈通道，它决定了振荡器的频率。为了起振，Barkhausen条件必须得到满足。即闭环增益应大于1，并且总相移为360°。为了让振荡器工作，要保证|A(f)|.|B(f)|1。这意味着开环增益应远大于1，到达稳定振荡所需的时间取决于这个开环增益。然而，仅满足以上条件是不够解释为什么晶体振荡器可以开始振荡。为了起振，还需要向其提供启动所需的电能。一般来说，上电的能量瞬变以及噪声可以提供所需的能量。应当注意到，这个启动能量应该足够多，从而能够保证通过触发使振荡器在所需的频率工作。实际上，在这种条件下的放大器是非常不稳定的，任何干扰进入这种正反馈闭环系统都会使其不稳定并引发振荡启动。干扰可能源于上电，器件禁用/使能的操作以及晶振热噪声等...。同时必须注意到，只有在晶振工作频率范围内的噪声才能被放大，这部分相对于噪声的全部能量来说只是一小部分，这也就是为什么晶体振荡器需要相当长的时间才能启动的原因。AN2867Pierce振荡器6/14参照2009年1月AN2867英文第1版本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本3Pierce振荡器皮尔斯振荡器有低功耗、低成本及良好的稳定性等特点，因此常见于通常的应用中。图4皮尔斯振荡器电路Inv：内部反向器，作用等同于放大器。Q：石英或陶瓷晶振。RF：内部反馈电阻(译注：它的存在使反相器工作在线性区,从而使其获得增益，作用等同于放大器)。RExt：外部限流电阻。CL1和CL2：两个外部负载电容。Cs：由于PCB布线及连接等寄生效应引起的等效杂散电容(OSC_IN和OSC_OUT管脚上)。AN2867Pierce振荡器设计7/14参照2009年1月AN2867英文第1版本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本4Pierce振荡器设计在这一节中，将介绍Pierce振荡器各种参数的含义及如何确定这些参数的值，从而使用户熟悉Pierce振荡器的设计。4.1反馈电阻RF在大多数情况下，反馈电阻RF是内嵌在振荡器电路内的(至少在ST的MCU中是如此)。它的作用是通过引入反馈使反向器的功能等同于放大器。Vin和Vout之间增加的反馈电阻使放大器在Vout＝Vin时产生偏置，迫使反向器工作在线性区域(图5中阴影区)。该放大器放大了晶振的正常工作区域内的在并联谐振区内的噪声(例如晶振的热噪声)(译注：工作在线性区的反向器等同于一个反向放大器)，从而引发晶振起振。在某些情况下，如果在起振后去掉反馈电阻RF，振荡器仍可以继续正常运转。图5反向器工作示意图RF的典型值于下表中给出。表2频率及对应的反馈电阻参考值频率反馈电阻范围32.768kHz10至25MΩ1MHz5至10MΩ10MHz1至5MΩ20MHz470kΩ至5MΩ4.2负载电容CL负载电容CL是指连接到晶振上的终端电容。CL值取决于外部电容器CL1和CL2，刷电路板上的杂散电容(Cs)。CL值由由晶振制造商给出。保证振荡频率精度，主要取决于振荡电路的负载电容与给定的电容值相同，保证振荡频率稳定度主要取决于负载电容保持不变。外部电容器CL1和CL2可用来调整CL，使之达到晶振制造商的标定值。CL的表达式如下：CL1和CL2计算实例：例如，如果CL＝15pF，并假定Cs=5pF，则有：AN2867Pierce振荡器设计8/14参照2009年1月AN2867英文第1版本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本即：CL1=CL2=20pF4.3振荡器的增益裕量增益裕量是昀重要的参数，它决定振荡器是否能够正常起振，其表达式如下：其中：●gm是反向器的跨导，其单位是mA/V(对于高频的情况)或者是µA/V(对于低频的情况，例如32kHz)。●gmcrit(gmcritical)的值取决于晶振本身的参数。假定CL1=CL2，并假定晶振的CL将与制造商给定的值相同，则gmcrit表达式如下：其中ESR是指晶振的等效串联电阻。根据EricVittoz的理论(译注：具体可参考EricA.Vittozetal.,High-PerformanceCrystalOscillatorCircuits:TheoryandApplication,IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.23,No.3,pp.774-782,Jun.1988)，放大器和两个外部电容的阻抗对晶振的RLC动态等效电路的电抗有补偿作用。基于这一理论，反向器跨导(gm)必须满足：gmgmcrit。在这种情况下才满足起振的振荡条件。为保证可靠的起振，增益裕量的昀小值一般设为5。例如，如果设计一个微控制器的振荡器部分，其gm等于25mA/V。如果所选择的石英晶振(来自FOX公司)的参数如下：频率=8MHz，C0=7pF，CL=10pF，ESR=80Ω那么该晶体能否与微控制器配合可靠起振？让我们来计算gmcrit：如果据此来计算增益裕量，可得：此增益裕量远大于起振条件即Gainmargin5，晶振将正常起振。如果不能满足增益裕量起振条件(即增益裕量Gainmargin小于5，晶振无法正常起振)，应尝试选择一种ESR较低或/和CL较低的晶振。4.4驱动级别DL外部电阻RExt计算这两个参数是相互联系的，这也就是为什么在同一节中描述此二者的原因。4.4.1驱动级别DL计算驱动级别描述了晶振的功耗。晶振的功耗必须限制在某一范围内，否则石英晶体可能会由于过度的机械振动而导致不能正常工作。通常由晶振制造商给出驱动级别的昀大值，单位是毫瓦。超过这个值时，晶振就会受到损害。驱动级别由下述表达式给出：其中：AN2867Pierce振荡器设计9/14参照2009年1月AN2867英文第1版本译文仅供参考，如有翻译错误，请以英文原稿为准。请读者随时注意在ST网站下载更新版本●ESR是指晶振的等效串联电阻(其值由晶振制造商给出)：●IQ是流过晶振电流的均方根有效值，使用示波器可观测到其波形为正弦波。电流值可使用峰－峰值(IPP)。当使用电流探头时(如图6)，示波器的量程比例可能需要设置为1mA/1mV。图6使用电流探头检测晶振驱动电流如先前所描述，当使用限流电位器调整电流值，可使流过晶振的电流不超过IQMAX均方根有效值(假设流过晶振的电流波形为正弦波)。IQMAX均方根有效值表达式如下：因此，流过晶振的电流IPP不应超过IQMAXPP(使用峰－峰值表示)，IQMAXPP表达式如下：这也就是为什么需要外部电阻RExt的原因(请参考4.4.3节)。当IQ超过IQmaxPP时，RExt是必需的，并且RExt要加入到ESR中去参与计算IQmax。4.4.2另一个驱动级别测量方法驱动级别可以由下式计算得出：其中IQRMS是交流电流的均方根有效值。这个电流可以通过使用小电容(1pF)分布的示波器探头在放大器的输入端，测量电压变化得到。相对于流经CL1的电流，放大器的输入电流可以忽略不计；因此可以假定经过晶振的电流等于流经CL1的电流。这样在这个点上，电压的均方根有效值与电流的均方根有效值有如下关系：其中：●F=晶体的频率●，这里VPP是在CL1端测量电压的峰-峰值●Ctot=CL1+(CS/2)+Cprob