为不同设备推荐晶振使用和注意事项

晶振作为电路中必不可少的电子元件,被应用于各种设备.为了更好的服务广大用户,了解晶振的各项参数信息以及使用注意事项能够达到最佳效益.以下文中介绍了晶体振荡器类型以及MCU系列设备,并且为振荡器的电路选择正确的组件准则.

Silicon公司的MCU系列器件包含两个晶体振荡器,一种是低速32.768KHZ,另外一种是高速4-50MHZ的.当然更多参数信息欢迎参照数据表,下面我们一起了解为不同设备推荐晶振使用和注意事项.涵盖的主题包括晶体振荡器理论和一些设备的推荐晶体.

•晶体振荡器更加精确和稳定,不过价格稍贵并且相较于RC和陶瓷谐振器.

•在选择石英晶体振荡器时,哪些参数比较关键.

•了解如何降低功耗当使用外部振荡器时.

1.设备兼容性

本应用笔记支持多个设备系列,某些功能因设备而异.

MCU Series 0 consists of:

• EFM32 Gecko (EFM32G)

• EFM32 Giant Gecko (EFM32GG)

• EFM32 Wonder Gecko (EFM32WG)

• EFM32 Leopard Gecko (EFM32LG)

• EFM32 Tiny Gecko (EFM32TG)

• EFM32 Zero Gecko (EFM32ZG)

• EFM32 Happy Gecko (EFM32HG)

Wireless MCU Series 0 consists of:

• EZR32 Wonder Gecko (EZR32WG)

• EZR32 Leopard Gecko (EZR32LG)

• EZR32 Happy Gecko (EZR32HG)

2.振荡器理论

2.1什么是振荡器？

振荡器是一种产生重复或周期性时变信号的电子电路.在MCU系列0或无线MCU系列0器件,该振荡器信号用于为指令,数字逻辑和通信中的时钟提供时钟设备.产生这种信号的方法有多种,每种都有不同的属性,这些属性会影响项目成本,电路板尺寸和时钟信号的稳定性.

RC振荡器

RC振荡器由电阻器,电容器和反相放大器构成.它们价格低廉,启动时间更短与石英晶体振荡器相比,但是元件值随温度的变化使得难以精确确定振荡频率.MCU系列0或无线MCU系列0器件至少提供三个内部RC振荡器：一个高频RC振荡器（HFRCO）,一个低频RC振荡器（LFRCO）和一个超低频RC振荡器（ULFRCO）.此外,辅助高频RC振荡器（AUXHFRCO）用于闪存编程和调试跟踪.而内部RC振荡器将确保MCU系列0或无线MCU系列0设备的正常运行,某些应用要求比这些可以提供.

石英晶体振荡器

晶体振荡器利用石英晶体的机械振动来产生时钟信号.由于晶体的分子组成和晶体的切割角度,这种类型的振荡器在很宽的温度范围内非常精确且稳定.该最常用的晶体是石英晶体.生产石英晶体需要非常稳定的温度和压力条件几个星期.这使得晶体振荡器比RC振荡器价格更高.

陶瓷谐振器

陶瓷谐振器的工作方式与晶体振荡器相同.它们更容易制造,因此比石英晶体便宜,但振荡频率的精度较差.陶瓷谐振器比晶体振荡器精度要低,这通常会缩短启动时间.这可能比某些应用中的频率精度.

本应用笔记将重点介绍石英晶体.但是,提出的理论对于陶瓷谐振器也是有效的.

2.1.1压电

石英晶体和陶瓷谐振器具有直接的压电特性.这意味着施加的电场将导致晶体变形.相反,晶体的变形会在端子之间产生电压.一旦振荡器启动,振动晶体端子上变化的电压就用作时钟信号.

2.2振荡器的基本原理

图2.1 简化的反馈振荡器环路

振荡器的原理是满足Barkhausen条件的正反馈环路：如果闭环增益大于统一,并且总相位滞后为360°,因此,最终的闭环系统不稳定并且会自我增强.这是必需的,但不是足以产生振荡的条件.当满足必要条件时,振荡器中的任何干扰（噪声）都会导致振荡开始.满足Barkhausen条件的频率被放大得最多,因为它与原始信号.

初始振荡非常微弱,需要花费一些时间才能将信号放大到所需的幅度.建立振荡后只需少量能量即可补偿电路中的损耗.在数学上,需要一个闭环增益为1保持稳态振荡.MCU系列0或无线MCU系列0依靠内部调节器来调节闭环当时钟信号达到所需的幅度时,增益变为1.

第4的图2.1简化的反馈振荡器环路显示,振荡器电路由两部分组成：放大阶段以及决定哪个频率经历360°相位滞后的滤波器.对于晶体振荡器,滤波器由晶体组成和外部负载电容器.

2.2.1启动时间

闭环增益的大小对启动时间有很大的影响.高增益时,信号必须经过的次数传播到环路周围以达到所需的幅度减小.为了快速启动,首选高增益.

出于同样的原因,振荡频率也会影响启动时间.千赫晶体KHZ范围内的晶体会更长启动时间比晶体在MHz范围内的启动时间长,因为循环环路所需的时间更长.MCU的典型启动时间系列0或无线MCU系列0在低频时为200-400 ms,在高频域中为200 µs至400 µs.

2.3建模晶体

可以通过第2.2页的图2.2晶体的等效电路中的等效电路来描述晶体.

图2.2 晶体的等效电路

•CS是运动电容,它表示从晶振晶体位移获得的压电电荷.

•RS是运动阻力,它代表了晶体中的机械损耗.

•LS是运动电感, 它代表了晶体中的运动质量.

•C0是电极之间的并联电容和来自外壳的杂散电容.

对于低频,等效电路将表现出电容特性,如图2.3所示.随着频率的增加,电抗的增加也使电感的存在变得更加明显.忽略并联电容C0时,定义串联谐振频率,电感和电容的电抗抵消.在此频率下,晶体仅表现为电阻性,没有相移.因此,串联谐振频率fS决定了CS的值和LS,可以通过以下公式计算.串联谐振频率是自然谐振频率,其中机械能和电能之间的能量转换最有效.

图2.3 电抗与频率

在更高的频率下,等效电路将呈现电感性,这意味着更高的阻抗.当感抗来自晶体消除了并联电容C0的电容电抗,存在另一个具有零相移的谐振频率.这个频率称为反谐振频率fA. 在此频率下,阻抗最大.晶体中的电感分流电容将相互馈电,从而获得最低的电流消耗.

fS和fA之间的频率范围称为并联谐振区域,是晶振晶体正常振荡的地方.在谐振频率下,反馈环路中的相位滞后由一个具有180°相位滞后的放大器和两个电容组成.合并180°相位滞后.实际上,该放大器提供的相移略大于180°,这意味着必须出现晶体.稍微归纳即可满足Barkhausen标准.

2.3.1串联和并联谐振晶体

物理上,串联和并联谐振晶体之间没有区别.指定串联谐振晶体在晶体出现无电抗的串联谐振频率.因此,不应存在外部电容,因为这将使振荡频率降低到自然共振频率以下.这些晶体旨在用于具有以下特性的电路中：振荡器电路提供360°相移的地方没有外部电容器.

并联谐振晶体需要容性负载才能在指定频率下振荡,这是谐振模式所需的谐振模式.MCU系列0或无线MCU系列0设备. MCU系列0或无线MCU系列0器件需要外部负载电容器.并联谐振晶体的确切振荡频率可以通过以下公式计算,其中CL是晶体所看到的负载电容. 因此,CL是重要的设计参数,并在数据手册中给出了并联谐振晶体的参数.

3. MCU系列0或无线MCU系列0晶体振荡器

MCU系列0或无线MCU系列0器件包括各种振荡器,包括全内部低速和高速RC振荡器（本应用笔记未涵盖）.这些功能可在所有能量模式下实现全面运行,而无需任何外部振荡器组件.如果应用需要更精确的时钟,则MCU系列0或无线MCU系列0器件包括两个晶体振荡器,低频晶体振荡器（LFXO）和高频晶体振荡器（HFXO）.这些振荡器需要外部时钟或晶体和负载电容器连接到器件的晶体振荡器引脚.LFXO支持带有标称频率为32.768KHz,而HFXO支持4-50MHz的频率,具体取决于设备-请联系亿金电子以了解更多信息.还支持提供正弦波和方波的外部振荡器.

在MCU系列0或无线MCU系列0中,振荡器电路被设计为皮尔斯振荡器,如图3.1所示.

图3.1 MCU系列0或无线MCU系列0中的皮尔斯振荡器

众所周知,皮尔斯振荡器在很宽的频率范围内稳定并且功耗低.

MCU系列0或无线MCU系列0的晶体振荡器使用相对较低的振荡幅度,这可能导致较低的振荡幅度.振荡频率比晶体数据表中标称值高.

3.1超时和故障检测

为确保XO时钟信号在稳定之前未在MCU系列0或无线MCU系列0中内部使用,两者HFXO和LFXO包含可配置的超时.当XO晶体振荡器启动后,超时计数器将在时钟信号传播到内部时钟树之前计数到配置的周期数和数字逻辑.

对于MCU系列0或无线MCU系列0的HFXO,还可以启用毛刺检测器（HFXOGLITCHDETENCMU_CTRL）.使用此设置,超时期间检测到的任何毛刺将导致超时计数器重新开始.该然后,时钟将不会传播,直到它运行了完整的超时周期而没有毛刺为止.超时时间成功过后,毛刺检测器会自动关闭以节省电量.

3.2组态器中的振荡器配置

Simplicity Studio中的[Hardware Configurator]包含一个工具,可帮助用户配置负载电容和软件设置用于使用LFXO和HFXO.一旦找到正确的硬件配置,设计人员就可以输出C代码,应该在应用程序中运行.使用[Hardware Configurator]的软件设置很重要,以确保可靠振荡器的操作.

3.3外部时钟和正弦缓冲输入

HFXO和LFXO振荡器可用作外部生成的数字时钟信号的输入.在此使用振荡器时方式,将时钟输入连接到HFXTAL_N或LFXTAL_N.这些输入的最大频率受最大时钟频率的限制.外部缓冲的正弦信号也可以应用于HFXTAL_N或LFXTAL_N引脚.该信号的建议幅度在0.8至1.2 Vpk-pk之间,并且频率必须与将晶体与HFXO和LFXO一起使用时所需的频率相同.

4.晶体参数

4.1品质因数

品质因数Q是效率或相对于石英晶体中能量耗散的相对存储量度.对于等效电路,以下等式说明了R,C和Q之间的关系.实际上,具有较高Q值的晶体更多准确,但振荡频率较小. 因此,高Q因子晶体通常比晶体启动慢具有更高的频率容限.通常,晶体比陶瓷谐振器具有更高的Q因子.因此可以预期晶体具有比陶瓷谐振器更长的启动时间.

XLS 和XCS 分别是LS和CS在晶体工作频率下的电抗.

4.2负载电容

如下式所示,两个电容器CL1和CL2为晶体提供容性负载.有效负载电容从MCU系列0或无线MCU系列0的XTAL_N和XTAL_P引脚可以看出,CL是CL1和CL2接地.

其中Cstray是微控制器的引脚电容和任何寄生电容,通常可以假定为2-5pF.正确选择CL对于正确的工作频率很重要.负载电容小的晶体通常比需要大CL的晶体.大负载电容器也会增加功耗.注意:MCU系列0或无线MCU系列0的设备需要在XTAL_N和XTAL_N之间连接外部负载电容器.XTAL_P引脚和地.

4.3等效串联电阻

等效串联电阻是晶体在振荡过程中的电阻,并随谐振频率变化. ESR,给定根据下面的公式,通常将随着振荡频率的增加而降低.

MCU系列0或无线MCU系列0的HFXO / LFXO电路无法保证ESR大于a的晶体的启动一定的限制.请参考器件数据手册以获取更多详细信息.与该最大值相比,ESR越小越好晶体启动的增益裕度,从而减少了启动时间.此外,较小的ESR值可在振荡期间降低功耗.

注意,HF晶体的ESR为几十欧姆,而LF晶体的ESR值通常为欧姆.因此,与kHz晶振相比,几欧姆的串联电阻对MHz晶振范围内的启动裕度有更大的影响范围

4.3频率稳定性

频率稳定性是在给定工作温度下与指定振荡频率的最大频率偏差范围.

4.4频率容差

频率容差是在25℃时与指定振荡频率的最大频率偏差.此参数给出了指示各个晶体之间的差异.

4.5 PCB布局

为了最大程度地降低由寄生天线和寄生耦合现象引起的噪声灵敏度,晶振晶体,电容器（需要时）与MCU系列0或无线MCU系列0振荡器引脚之间的距离应尽可能短.如果不可能的话为了将外部振荡器组件放置在靠近振荡器引脚的位置,在路由这些信号时应格外小心.避免长时间MCU系列0或无线MCU系列0封装和其他可能与之产生寄生耦合的电路下方的走线逻辑活动.还应避免将任何其他信号路由通过晶体区域.

两个电容器的接地端（如果需要外部电容器）必须接地.这些连接应该是每个电容器的长度应尽可能短且长度相等.确保振荡器下方的接地层良好质量.请勿在振荡器下方使用单独的接地层,该接地层与参考接地之间的连接要窄,因为这可能会触碰.为避免与周围信号走线耦合,优良作法是在振荡器周围放置接地的保护环及其组件.