矽振蕩器與晶體和陶瓷諧振器的對比及應用

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矽振蕩器與晶體和陶瓷諧振器的對比及應用

發表於 2019-01-22 15:46:02

對於大多數微控制器的時鐘要求而言，矽振蕩器是一種簡單而有效的解決方案。與晶體和陶瓷諧振器不同的是，矽定時器件對于振動、衝擊和電磁幹擾EMI不敏感。此外，矽振蕩器不需要精心匹配定時元件或嚴格的電路板布線。

在實際應用中，除了一些環境因素外，時鐘源的選擇標準通常依據四個基本條件：精度、供電電壓、尺寸和噪聲。精度需求通常取決於特定應用所採用的通信標準。例如，高速USB需要±0.25%的總體時鐘精度。相比之下，無需外部通信的系統可能只需5%、10%、甚至20%的時鐘源精度便能很好地工作。

矽振蕩器與晶體或陶瓷諧振器的比較

微控制器時鐘的供電電壓典型範圍是1V至5.5V，而矽振蕩器典型的供電電壓範圍為2.4V至5.5V。

時鐘噪聲受許多因素的影響，包括放大器的噪聲、電源噪聲、線路板布線、以及振蕩元件固有的噪聲抑制特性等（或品質因數「Q」）。晶體的Q值很高，一般而言產生的噪聲最小，特別適合用於要求低基帶噪聲的系統中，例如音頻CODEC。

然而，矽振蕩器佔據的空間最小，而且不需要附加的定時元件。對於大多數矽振蕩器來說，所需的外部元件通常只有一個電源旁路電容。

皮爾斯振蕩器

晶體和陶瓷諧振器大多被用在皮爾斯振蕩器中，其中晶體或諧振器作為調諧元件用在反相放大器的反饋中。為了使電路穩定，需要另加電容和電阻來進行相移補償和增益控制。此外，還須用電阻提供一定的阻尼，以防過驅動造成晶體或諧振器永久損壞。

圖1給出了兩個皮爾斯振蕩器的實例。圖1a是一個典型的晶體振蕩電路，使用外部電容和電阻。圖1b則是一個基於三端陶瓷諧振器的皮爾斯振蕩器，陶瓷諧振器中集成了補償電容。這些設計中的每一個元件的值與工作頻率、供電電壓、反相器的類型、元件類型（晶體或諧振器）以及製造商有關。

圖1.採用晶體和三端陶瓷諧振器的皮爾斯振蕩器

皮爾斯振蕩器最常見的實現方法是用一個CMOS非門做為放大器。雖然這種方案的穩定性和功耗性能通常比不上基於電晶體的振蕩器，但是，基於CMOS反相器的電路比較簡單，而且在許多情況下非常實用。帶緩衝和無緩衝反相器都能用於放大元件，其中首選無緩衝的反相器，因為它們工作得更穩定，雖然也伴隨著功耗的增加。無緩衝門沒有強大的輸出級，所以要驅動電路板上的長走線時必須使用標準反相器加以緩衝。

矽振蕩器，這種完全集成的振蕩元件是最簡單的時鐘源。這些器件可產生規定頻率的方波，可直接送入微控制器（µC）的時鐘輸入。矽振蕩器並不依賴於機械共振特性來獲得振蕩頻率，而是基於一個內部的RC時間常數。這樣的設計使矽器件對於外部機械作用不敏感。而且，與傳統振蕩器不同的是，沒有裸露在外的高阻抗節點，這樣使矽振蕩器可以承受更大的溼度和EMI影響。

矽振蕩器的應用

如果用矽振蕩器代替晶體或陶瓷諧振器，首先可以去掉和振蕩電路相關的所有元件。這通常包括一到兩個電阻和兩個電容（如果它們未被包含在諧振器封裝內）。振蕩器可以安裝在適當的位置，然後將其時鐘輸出引到微控制器（µC）時鐘輸入（OSC1）引腳。振蕩器的電源應該來自於驅動µC時鐘輸入電路的電源。

圖2和圖3給出了這種設計的一個實例，其中顯示的是用於MC68HC908µC的振蕩電路。圖2為推薦電路，三端陶瓷諧振器。

圖3為採用矽振蕩器的電路，本例採用MAX7375，SC70封裝，包括引腳在內的外形尺寸僅為2.0mmx2.1mm。

圖2.MC68HC908µC採用基於三端諧振器的振蕩器

圖3.MC68HC908µC採用MAX7375矽振蕩器

矽振蕩器在電路板上的布局通常沒有很高的要求，因為這種器件輸出的是低阻抗方波，它能夠在電路板上傳送足夠的距離，且無須顧慮其他信號對它的幹擾。矽振蕩器能夠驅動多個器件。和任何其他高速信號一樣，矽振蕩器的時鐘輸出在驅動長導線時會產生電磁輻射。靠近時鐘發生器的引腳，在每路時鐘信號上串連一個電阻可以降低這種輻射。如圖4所示，MAX7375驅動兩路時鐘電路時，每條時鐘線上都串入了一個電阻。

圖4.串聯電阻減小電磁輻射

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