晶振選型設(shè)計(jì)有多重要？這些重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象一定要注意

幾乎所有使用 MCU 的產(chǎn)品，外圍電路都離不開(kāi)晶振電路設(shè)計(jì)，大多數(shù)電子設(shè)計(jì)人員從入門開(kāi)始都會(huì)接觸到晶振電路，但實(shí)際上，很少有人真正了解晶振電路是如何工作的，在晶振出現(xiàn)問(wèn)題之前，多數(shù)人不會(huì)付出太多精力去關(guān)注振蕩器電路設(shè)計(jì)是否合理，通常等到產(chǎn)品量產(chǎn)，由于晶振而導(dǎo)致的大面積宕機(jī)現(xiàn)象時(shí)，才開(kāi)始注意到晶振電路設(shè)計(jì)是否合理。

晶振的全稱叫：石英晶體振蕩器。是利用石英晶體的壓電效應(yīng)廠商高精度振蕩頻率的一種電子元件。查看維基百科，對(duì)于這種神奇的材料具體的講解是：

晶體是指其中的原子、分子、或離子以規(guī)則、重復(fù)的模式朝各方向延伸的一種固體。晶體與幾乎所有的彈性物質(zhì)都具有自然共振頻率，透過(guò)適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/">傳感器可加以利用。共振頻率取決于晶體的尺寸、形狀、彈性、與物質(zhì)內(nèi)的音速。高頻用的晶體通常是切成簡(jiǎn)單的形狀，如方形片狀。運(yùn)用石英晶體上的電極對(duì)一顆被適當(dāng)切割并安置的石英晶體施以電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生變形。這就是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電場(chǎng)移除時(shí)，石英晶體會(huì)恢復(fù)原狀并發(fā)出電場(chǎng)，因而在電極上產(chǎn)生電壓。這樣的特性造成石英晶體在電路中的行為，類似于某種電感器、電容器、與電阻器所組合成的 RLC 電路。組合中的電感電容諧振頻率則反映了石英晶體的實(shí)體共振頻率。

石英晶體等效模型：

Cp：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))。

Ls：(動(dòng)態(tài)等效電感)代表晶振機(jī)械振動(dòng)的慣性。

Cs：(動(dòng)態(tài)等效電容)代表晶振的彈性。

Rs：(動(dòng)態(tài)等效電阻)代表電路的損耗

了解晶振電路的設(shè)計(jì)，首先你要熟悉 Pierce(皮爾斯)振蕩器電路。該模型電路簡(jiǎn)單，工作有效而且穩(wěn)定，因此現(xiàn)今幾乎所有的晶振電路設(shè)計(jì)都采用這個(gè)模型。如下，該設(shè)計(jì)包含一個(gè)反相器、一個(gè)電阻、一個(gè)石英晶體、兩個(gè)小電容。石英晶體在此扮演高選擇度的濾波元件：

Inv：內(nèi)部反相器器，作用等同于放大器。

Q：石英或陶瓷晶振。

Rf：內(nèi)部反饋電阻(譯注：它的存在使反相器工作在線性區(qū), 從而使其獲得增益，作用等同于放大器)。

RExt：外部限流電阻。

CL1 和 CL2：兩個(gè)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)

接下來(lái)，我們重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)部反饋電阻 Rf、負(fù)載電容 Cl、外部限流電阻 Rext——

反饋電阻 Rf

皮爾斯振蕩器中，連接晶振的芯片內(nèi)部是一個(gè)線性的運(yùn)算放大器，由于運(yùn)算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百到數(shù)萬(wàn)倍不等，因此通常使用運(yùn)算放大器會(huì)將輸出端與反向輸入端連接形成一個(gè)負(fù)反饋組態(tài)(即閉環(huán)放大器)。皮爾斯振蕩器中的反饋電阻 Rf 可以看成是反相器的偏壓電阻，可以令反相器工作在線性區(qū)域而不至于由于增益過(guò)大而工作在完全導(dǎo)通或截止的狀態(tài)。

大多數(shù)情況下，Rf 是內(nèi)嵌在芯片內(nèi)部中，但不排除有些芯片的設(shè)計(jì)并未內(nèi)嵌這個(gè)電阻，因此在這種情況下，你會(huì)看到有些晶振電路的外部并聯(lián)著一個(gè)電阻。不同頻率對(duì)應(yīng)的反饋電阻參考值：

負(fù)載電容 CL

負(fù)載電容指連接到晶振上的終端電容，該終端電容包括：外部電容 CL1 和 CL2、印刷電路板上的雜散電容(Cs)。CL 的值是晶振本身決定，供應(yīng)商會(huì)在規(guī)格書中給出，當(dāng)晶振外部等效電容等于負(fù)載電容 CL 時(shí)，無(wú)源晶振輸出的頻率最準(zhǔn)確。

CL=（CL1//CL2）+CS

?即：CL=[（CL1xCL2）/（CL1+CL2）]+CS

需要注意的是：電容具有充放電的功能，電容容值越大，放電越慢，電容容值越小，放電越快。因此實(shí)際調(diào)試中，如果測(cè)得的實(shí)際頻率比理論值偏小，說(shuō)明振蕩器振蕩頻率偏慢，電容的放電太慢，等效電容大于負(fù)載電容，需要降低外部的匹配電容

外部電阻 Rext

在開(kāi)始闡釋外部電阻之前，我們需要再了解兩個(gè)概念：振蕩器增益余量 gain、驅(qū)動(dòng)級(jí)別 DL——

增益余量 gain：表征振蕩電路的放大能力

驅(qū)動(dòng)級(jí)別 DL：表征晶振的驅(qū)動(dòng)功耗

早在 1988 年， Eric Vittoz 發(fā)表了晶振 RLC 動(dòng)態(tài)等效電路的相關(guān)理論研究，基于前人的理論，反相器跨導(dǎo) gm 必須大于 gmcrit 才能滿足起振條件，為保證可靠性，還必須滿足至少 5 倍的關(guān)系；即：gmargin = gm / gmcrit

其中，gmcrit = 4 x ESR x (2πF)2 x (C0 + CL)2，ESR、C0、CL 都可以從晶振規(guī)格書中獲取，gm 從芯片規(guī)格書中獲得；

驅(qū)動(dòng)級(jí)別 DL 描述的是晶振的功耗，晶振的功耗必須限制在一定范圍內(nèi)，否則石英晶體可能會(huì)由于過(guò)度機(jī)械振動(dòng)而導(dǎo)致不能正常工作。

DL = ESR x I2，其中 ESR 為晶振的等效串聯(lián)電阻，I 為流過(guò)晶振的電流的均方根有效值；

你必須讓 DL 值小于晶振規(guī)格書中限定的 DL 值，如果實(shí)際 DL 值較高，則需要 Rext 電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行限制。

對(duì)于 I 的測(cè)量需要電流探頭進(jìn)行測(cè)量，而且由于驅(qū)動(dòng)電流一般比較小，因此需要 1mA/mV 檔，實(shí)際操作中，你可能并沒(méi)有分辨率這么高的電流探頭，那么你可以通過(guò)觀測(cè)晶振引腳輸出波形的形狀進(jìn)行確認(rèn)，具體方法我們?cè)谙旅嬷v。

當(dāng)你能耐心看到這里，對(duì)于晶振設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)概念、計(jì)算已經(jīng)都了解過(guò)，接下來(lái)，可以搬上我們最終的晶振設(shè)計(jì)步驟：

第一步：增益余量的計(jì)算

gmcrit = 4 x ESR x (2πF)2 x (C0 + CL)2，ESR、C0、CL 都可以從晶振規(guī)格書中獲取，gm 從芯片規(guī)格書中獲得；gmargin = gm / gmcrit ，

若 gmargin<5，說(shuō)明這不是一個(gè)合格的晶振，你該去挑選一個(gè)更低 ESR 或 CL 值的晶振；

若 gmargin>5，進(jìn)行第二步；

第二步：外部負(fù)載電容計(jì)算

CL=（CL1//CL2）+CS

?即：CL=[（CL1xCL2）/（CL1+CL2）]+CS

CL 為晶振規(guī)格書給出的負(fù)載電容，CL1，CL2 為所要計(jì)算的外部電容，CS 為雜散電容(可粗略使用 4pf 進(jìn)行計(jì)算)

第三步：驅(qū)動(dòng)級(jí)別和外部電阻的計(jì)算

用一臺(tái)示波器檢測(cè) OSC 輸出腳，

如果檢測(cè)到非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時(shí)鐘輸入需要，則晶振未被過(guò)分驅(qū)動(dòng)；那么祝賀你，你找到了合適的晶振；

如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。這時(shí)就需要用電阻 Rext 來(lái)防止晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。判斷電阻 RD 大小的最簡(jiǎn)單的方法就是串聯(lián)一個(gè)微調(diào)電阻，從 0 開(kāi)始慢慢調(diào)高，一直到正弦波不在被削平為止，這時(shí)的電阻值為 Rext 值。此時(shí)，由于需要串聯(lián) Rext，晶振模型的 ESR 已經(jīng)發(fā)生了改變，因此你需要回到第一步計(jì)算 gmarin，如果 gmarin>5，那么你找到了合適的晶振，如果 gmarin<5，那么重新挑選另外一個(gè)晶振，重新回到第一步吧。。。