近來關注世強平臺舉辦的“碼五千字”活動，閱讀到了很多好文章，其中有一篇《小晶振大文章》引起了筆者的共鳴，特別對“晶振是電子產品不可或缺的一部分，準確可靠的震蕩頻率是產品穩(wěn)定性的基礎”這句話深有感觸。

無源晶振電路設計可參考如圖1所示的皮爾斯振蕩器電路模型，設計人員只需給晶振Q配置合適的外圍電路，即兩個外部負載電容CL1、CL2和一個外部限流電阻RExt，晶振就能正常工作了。CS為雜散電容，存在板級之間。

圖1：晶振外圍電路設計圖

下面筆者結合智能采集終端項目，針對啟和科技兩款無源晶振測試結果做分析，談一談如何正確地設計無源晶振硬件電路。

CPU主12M時鐘

選用啟和科技的12MHz無源晶振，型號為FA-20H-12.000MHz-12.0pF-30ppm。此款晶振指標如圖2所示，其優(yōu)勢表現為：體積小、超寬存儲溫度范圍、超寬工作穩(wěn)定范圍、低溫度頻差和低老化速度。

圖2：FA-20H-12.000MHz-12.0pF-30ppm指標

12MHz時鐘波形如圖3所示，開始時間為2.65ms晶振無源，幅值為3.21V，滿足A公司CPU時鐘產品的設計要求（開始時間小于10ms；高電平幅值為3.3V±5%）。但是頻偏46.5ppm過大，如圖4所示，頻偏過大最嚴重結果可能導致系統(tǒng)的頻率不準，所以需要調整頻偏。

圖3：12MHz時鐘波形圖

圖4：12MHz時鐘頻譜圖

參考晶體等效模型，圖5中Co為并電容；Lm為等效電感，代表晶振的慣性；Cm為等效電容，代表晶振的彈性；Rm為等效電阻，代表晶振的損耗。

圖5：無源晶振等效模型

實際頻率和標稱頻率之間的關系：FP = FS×[1+Cm/2(CO+CL)]……①

FS是當晶振阻抗為0時的串聯頻率：FS = 1/[2π(Lm×Cm)1/2]……②

CL為晶振的負載電容：CL = (CL1×CL2)/( CL1+ CL2)+Cs ……③

根據公式①②③知：增大負載電容可減小實際頻率FP；減小負載電容可增大實際頻率FP。所以可以改變CL1和CL2，通過計算只要CL變化1pF，FP可以變化幾百赫茲。原有電路使用的是兩個20pF電容，則串聯起來是10pF。參考器件庫，發(fā)現稍微大于20pF的電容只有22pF，27pF和30pF。如果用兩個22pF串聯，頻偏還是很大。而如果用兩個27pF串聯，則頻偏偏小。試用不同容值27pF和22pF串聯，則電容為12.1pF，測量得頻偏落在了設計范圍內。所以晶振電路上的兩個電容可以不相等，通過微調電容值可以微調晶振的振蕩頻率。

計量模塊36.768kHz時鐘電路設計改進

采用啟和科技的32.768kHz無源晶振，型號為MC-146-32.768kHz-12.5pF-20ppm。此款晶振指標如圖6所示，其優(yōu)勢表現為：超寬存儲溫度范圍、超寬工作穩(wěn)定范圍、低調整頻差、低溫度頻差和低老化速度。

圖6：MC-146-32.768kHz-12.5pF-20ppm指標

32.768kHz時鐘波形如下圖所示，晶振波形的峰峰值VPP= (690-130)mV= 560mV。

圖7：36.768kHz時鐘波形圖

根據皮爾斯振蕩器電路模型知：

驅動等級DL = I2QRMS×ESR = (2πF×VRMS×Ctot)2×ESR......④

其中：IQRMS為流過晶振電流的均方根有效值，ESR為晶振等效電阻65k，F為晶振頻率32.768k。

VRMS = VPP/23/2 ≈ 0.2V

Ctot = CL1+(CS/2)+Cprobe≈15.5pF，公式中CL1為10pF，CS取3pF，探頭電容Cprobe一般取5pF。

根據公式④計算晶振的實際驅動級別大約為0.026uW，遠小于指標要求的驅動級別0.1uW。驅動能力不足的話，晶振存在不起振的風險，此時可以通過改變負載電容或者增大峰峰值來提高驅動級別。

查看原理圖發(fā)現：

1）晶振外圍電容為兩個10pF串聯，加上雜散電容，負載電容為8pF，達不到選型要求的12.5pF。后續(xù)先增大外接電容，改為兩個18pF電容串聯，測試發(fā)現負載電容增大4pF，峰峰值卻略微降低。

2）晶振XOUT引腳（對應計量芯片的XIN引腳）上串聯了一個1k電阻，串聯電阻RExt作用是為了減小驅動晶體的功率，防止晶振驅動過強發(fā)生過驅動而進入泛音模式，但串聯電阻過大會導致晶振峰峰值偏低，引起驅動能力不足。根據“當晶振上的功耗超過晶振制造商給定的值，RExt才是必需的，否則RExt的值應該為‘0’”的原則，MC-146-32.768kHz的最大驅動級別能達到0.5uW，所以去掉1k電阻測試發(fā)現峰峰值VPP增大約100mV。

根據公式④計算改進后電路的驅動級別約為0.085uW晶振無源，接近于典型值0.1uW，滿足設計需求。

由上述兩款無源晶振的測試結果和分析得知：無源晶振的外圍電路并不復雜，但如果沒有配置合適的負載電容和限流電阻，頻偏、驅動級別等參數會受到極大影響，更嚴重可能會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此印證了“小器件、大文章”的道理。

文章由啟和科技編輯