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讲解晶振负载电容的重要性

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讲解晶振负载电容的重要性

发布日期:2018-06-01 作者:admin 点击:

认识晶振的重要性

晶振,全称晶体振荡器,它能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须要的时钟频率信号,CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的,时钟信号频率越高,通常CPU的运行速度也就越快。 凡是包含CPU的电子产品,其中至少含有一个时钟源,哪怕我们在电路板中看不到实际的振荡电路,那也是晶振在芯片内部被集成,往往被人们称之为电路系统的心脏。一旦心脏停止跳动,整块电路板可能出现瘫痪的状况。因此晶振的质量问题是很多厂商放在第一位的最终抉择的考虑基!所以很多客户对日系晶振有了十足的信任感,近年来台系的TXC晶振在国内厂商也有了较高的重视度

晶振质量的好坏由什么决定了?有人会说从外观的崭新程度分辨,或者是外包装,又或者产品印字标识。这一切真的能有助于我们分辨晶振的好坏吗?广瑞泰知道像晶振这样的电子元器件拿在手上我们是无法判断其好坏程度的,通常晶振人所指的坏即是在电路工作中晶振不起振,或者时而稳定时而不稳定的现象!那么这一切现象终究是归根于质量问题还是晶振参数?

晶振有几个重要参数:

1,晶体元件规格书中所指定的频率,也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数。晶振常用标称频率在1~200MHz之间,比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等,更高的输出频率也常用PLL(锁相环)将低频进行倍频至1GHz以上。我们称之为标称频率。

2,输出信号的频率不可避免会有一定的偏差,我们用频率误差(Frequency Tolerance)或频率稳定度(Frequency Stability),用单位ppm来表示,即百万分之一(parts per million)(1/106),是相对标称频率的变化量,此值越小表示精度越高。比如,12MHz晶振偏差为±20ppm,表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz,即频率范围是(11999760~12000240Hz)

3,还有一个温度频差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定温度范围内,工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离,它的单位也是ppm。

4,另外,负载电容CL(Load capacitance),它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容(不是晶振外接的匹配电容),主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,与晶体一起决定振荡器电路的工作频率,通过调整负载电容,就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。更准确而言,无源晶体的负载电容是一项非常重要的参数,因为无源晶体属于被动元器件,所谓的被动元器件即是自身不能工作,需要外部元器件协助工作,无源晶体即是!


其中:

CS为晶体两个管脚之间的寄生电容(又名晶振静态电容或Shunt Capacitance),在晶体的规格书上可以找到具体值,一般0.2pF~8pF不等。如图二是某32.768KHz的电气参数,其寄生电容典型值是0.85pF(在表格中采用的是Co)。

CG指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容,其容值为以下三个部分的和。

● 需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容 Ci

● 晶体震荡电路PCB走线到到GND的寄生电容CPCB

● 电路上外增加的并联到GND的外匹配电容 CL1

CD指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容。容值为以下三个部分的和。

● 需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容, Co

● 晶体震荡电路PCB走线到到gnd的寄生电容,CPCB

● 电路上外增加的并联到GND的外匹配电容, CL2

既然晶振的负载电容是一个非常重要的参数,如果此项参数与外部电容匹配不正确会导致什么样的现象?晶振两端的等效电容与晶振标称的负载电容匹配不正确,晶振输出的谐振频率将与标称工作的工作频率会产生一定偏差(又称之为频偏),负载电容(load capacitance)主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,它与石英谐振器一起决定振荡器的工作频率,通过调整负载电容,一般可以将振荡器的工作频率调到标称值。应用时我们一般外接电容,便是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容,对于要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容,这样便可以使得晶振工作的频率达到标称频率。所以合理匹配合适的外加电容使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容显得十分重要。

负载电容常用的标准值有12.5 pF,16 pF,20 pF,30pF,负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的,负载电容变小时,频率偏差量变大;负载电容提高时,频率偏差减小。图3是一个晶体的负载电容和频率的误差的关系图。

例外情况:

现在有很多芯片内部已经增加了补偿电容(internal capacitance),所以在设计的时候,只需要选按照芯片datasheet推荐的负载电容值的选择晶体即可,不需要额外再加电容。但是因为实际设计的寄生电路的不确定性,最好还是预留CL1/CL2的位置。


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