皮爾斯振蕩器與 RC 反饋振蕩器的使用差異

晶振、陶瓷諧振槽路、RC （電阻、電容）振蕩器以及硅振蕩器是適用于微控制器（μC）的四種時(shí)鐘源。針對具體應(yīng)用優(yōu)化時(shí)鐘源設(shè)計(jì)依賴于以下因素：成本、精度和環(huán)境參數(shù)。本篇應(yīng)用筆記討論了與微控制器時(shí)鐘選擇有關(guān)的各種因素，并對不同類型的振蕩器進(jìn)行了比較。

概述

微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時(shí)鐘源，如：RC （電阻、電容）振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的 RC 振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時(shí)鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)取D 1 給出了兩種時(shí)鐘源示例，其中圖 1a 為皮爾斯振蕩器配置，用于機(jī)械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖 1b 為簡單的 RC 反饋振蕩器。

圖 1. 簡單時(shí)鐘源：（a） 皮爾斯振蕩器、（b） RC 反饋振蕩器

機(jī)械式諧振器與 RC 振蕩器的主要區(qū)別

基于晶振與陶瓷諧振槽路（機(jī)械式）的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對而言，RC 振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會在標(biāo)稱輸出頻率的 5%至 50%范圍內(nèi)變化。圖 1 所示的電路能產(chǎn)生可靠的時(shí)鐘信號，但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高 Q 值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移（甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加抖動，并且在有些情況下，還會造成振蕩器停振。

振蕩器模塊

上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立 RC 振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?/p>

功耗

選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS 放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04 反相器門電路的功率耗散電容值是 90pF。在 4MHz、5V 電源下工作時(shí)，相當(dāng)于 1.8mA 的電源電流。再加上 20pF 的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為 2.2mA。

陶瓷諧振槽路與晶振電路相比一般具有較大的負(fù)載電容，使用相同放大器時(shí)相應(yīng)地也需要更多的電流。

相比之下，由于包含了溫度補(bǔ)償和控制功能，晶振模塊一般需要電源電流為 10mA 至 60mA。

硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如 MAX7375，工作在 4MHz 時(shí)只需不到 2mA 的電流。

結(jié)論

在特定的微控制器應(yīng)用中，選擇最佳的時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。下表給出了幾種常用的振蕩器類型，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
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