用硅振蕩器代替晶體和陶瓷諧振器

硅振蕩器可以取代大多數(shù)微控制器（μC）時(shí)鐘電路中的晶體和陶瓷諧振器器件。除了抗振動(dòng)、沖擊和抗EMI的優(yōu)點(diǎn)外，硅基定時(shí)器件比晶體或陶瓷諧振器更小、更易于使用。本應(yīng)用筆記說明了如何用硅振蕩器器件代替常見的晶體和陶瓷諧振器時(shí)鐘電路。

介紹

硅振蕩器是一種簡單有效的解決方案，可滿足大多數(shù)微控制器 （μC） 時(shí)鐘需求。與基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器不同，硅基定時(shí)器件對振動(dòng)、沖擊和電磁干擾 （EMI） 效應(yīng)相對不敏感。此外，硅振蕩器不需要仔細(xì)匹配定時(shí)元件或電路板布局。

除了應(yīng)用中的任何環(huán)境考慮因素外，時(shí)鐘源的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常取決于四個(gè)基本參數(shù)：精度、電源電壓、尺寸和噪聲。精度要求通常由為應(yīng)用定義的通信標(biāo)準(zhǔn)確定。例如，高速USB要求總時(shí)鐘精度為±0.25%。相比之下，沒有外部通信的系統(tǒng)可以很好地運(yùn)行，時(shí)鐘源精度為5%、10%甚至20%。

硅振蕩器與晶體或陶瓷諧振器的比較

微控制器時(shí)鐘電源電壓范圍通常為 1V 至 5.5V。硅振蕩器的電源電壓通常為2.4V至5.5V。

時(shí)鐘噪聲受多種來源影響，包括放大器噪聲、電源噪聲、電路板布局和振蕩元件的固有噪聲抑制（或“Q”）特性。憑借其高Q值，晶體通常產(chǎn)生噪聲最低的振蕩器電路，使其特別適合需要低基帶噪聲的系統(tǒng)，如音頻編解碼器。

然而，硅振蕩器通常占用最小的空間，不需要額外的定時(shí)元件。通常，電源旁路電容器是大多數(shù)硅振蕩器所需的唯一外部元件。

皮爾斯振蕩器

基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器通常實(shí)現(xiàn)為皮爾斯振蕩器，其中晶體或諧振器用作反相放大器反饋中的調(diào)諧元件。為了在這種設(shè)計(jì)中穩(wěn)定工作，相移補(bǔ)償和增益控制由額外的電容器和電阻器提供。此外，電阻器提供防止過驅(qū)所需的阻尼，過驅(qū)動(dòng)可能會永久損壞晶體或諧振器。

圖1顯示了兩個(gè)皮爾斯振蕩器示例。圖1a是使用外部電容和電阻的典型晶體振蕩器電路。圖1b顯示了使用集成補(bǔ)償電容的三端陶瓷諧振器的皮爾斯振蕩器。每種設(shè)計(jì)的元件值取決于工作頻率、電源電壓、逆變器類型、元件類型（晶體或諧振器）和制造商。

圖1.晶體和三端陶瓷諧振器皮爾斯振蕩器。

皮爾斯振蕩器最常見的實(shí)現(xiàn)方式是使用CMOS反相柵極作為放大器。雖然通常不如基于晶體管的振蕩器穩(wěn)定且功耗更高，但基于CMOS逆變器的設(shè)計(jì)簡單且在各種條件下都非常有用。雖然緩沖和非緩沖逆變器都可用于放大器元件，但無緩沖逆變器是首選，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生更穩(wěn)定的振蕩器，盡管功耗增加。無緩沖柵極沒有強(qiáng)大的輸出級，因此必須由標(biāo)準(zhǔn)逆變器緩沖，以驅(qū)動(dòng)長電路板走線。

硅振蕩器的優(yōu)勢

最簡單的時(shí)鐘源由獨(dú)立的振蕩器器件提供，例如硅振蕩器。這些器件在指定頻率下產(chǎn)生方波，直接施加于μC時(shí)鐘輸入。硅振蕩器不依靠機(jī)械諧振特性來得出振蕩頻率;它們使用內(nèi)部 RC 時(shí)間常數(shù)。這種設(shè)計(jì)使硅基器件相對不受外部機(jī)械影響。此外，由于缺少裸露的高阻抗節(jié)點(diǎn)，例如傳統(tǒng)振蕩器中的節(jié)點(diǎn)，使得硅振蕩器對濕度和EMI效應(yīng)的耐受性更高。

替代硅振蕩器

用硅振蕩器代替晶體或諧振器器件時(shí)，首先丟棄與振蕩器電路相關(guān)的任何元件。這通常涉及移除一個(gè)或兩個(gè)電阻器和兩個(gè)電容器（如果諧振器封裝中未包含這些電阻和電容器）。然后，可以將振蕩器放置在方便的位置，并將時(shí)鐘輸出連接到μC時(shí)鐘輸入（OSC1）引腳。振蕩器器件的電源應(yīng)與μC時(shí)鐘輸入電路的電源相同。

圖2和圖3顯示了MC68HC908 μC的振蕩器電路。 圖2顯示了三端陶瓷諧振器的推薦電路。圖3所示電路采用硅振蕩器，本例中為MAX7375，采用SC70封裝，尺寸僅為2.0mm x 2.1mm，包括引線。

圖2.MC68HC908 μC，內(nèi)置基于三端諧振器的小型振蕩器。

圖3.MC68HC908 μC，采用MAX7375硅振蕩器。

硅振蕩器的電路板放置通常并不重要，因?yàn)檫@些器件輸出低阻抗方波，可以在合理的距離內(nèi)傳輸，而不必?fù)?dān)心來自其他信號的干擾。硅振蕩器還將驅(qū)動(dòng)多個(gè)時(shí)鐘目的地。與任何高速信號一樣，時(shí)鐘輸出在驅(qū)動(dòng)長走線長度時(shí)會產(chǎn)生電磁輻射。通過將電阻與每個(gè)時(shí)鐘信號串聯(lián)并在時(shí)鐘發(fā)生器引腳附近放置一個(gè)電阻，可以將這些輻射降至最低。圖4顯示了MAX7375驅(qū)動(dòng)兩個(gè)時(shí)鐘目的地，每個(gè)時(shí)鐘目的地都有電阻。

圖4.串聯(lián)電阻器可最大限度地減少電磁輻射。

審核編輯：郭婷