單片機晶振旁邊電容的作用及振蕩電路的分析

2021-02-13 單片機與嵌入式

我想很多的單片機愛好者對晶振兩邊要接22或者30pF的電容不理解,因為電容有些時候是可以不要的。
      
其實單片機和其他一些IC的振蕩電路的真名叫「三點式電容振蕩電路」,如下圖
 
Y1是晶體,相當於三點式裡面的電感,C1和C2就是電容,5404非門和R1實現一個NPN的三極體,接下來分析一下這個電路。 
       
5404必需要一個電阻,不然它處於飽和截止區,而不是放大區,R1相當於三極體的偏置作用,讓5404處於放大區域,那麼5404就是一個反相器,這個就實現了NPN三極體的作用,NPN三極體在共發射極接法時也是一個反相器。
        
大家知道一個正弦振蕩電路要振蕩的條件是,系統放大倍數大於1,這個容易實現,相位滿足360度,與晶振振蕩頻率相同的很小的振蕩就被放大了。接下來主要講解這個相位問題:

5404因為是反相器,也就是說實現了180°移相,那麼就需要C1,C2和Y1實現180°移相就可以,恰好,當C1,C2,Y1形成諧振時,能夠實現180移相,這個大家可以解方程等,把Y1當作一個電感來做。也可以用電容電感的特性,比如電容電壓落後電流90°,電感電壓超前電流90°來分析,都是可以的。當C1增大時,C2端的振幅增強,當C2降低時,振幅也增強。有些時候C1,C2不焊也能起振,這個不是說沒有C1,C2,而是因為晶片引腳的分布電容引起的,因為本來這個C1,C2就不需要很大,所以這一點很重要。接下來分析這兩個電容對振蕩穩定性的影響。

因為5404的電壓反饋是靠C2的,假設C2過大,反饋電壓過低,這個也是不穩定,假設C2過小,反饋電壓過高,儲存能量過少,容易受外界幹擾,也會輻射影響外界。C1的作用對C2恰好相反。因為我們布板的時候,假設雙面板,比較厚的,那麼分布電容的影響不是很大,假設在高密度多層板時,就需要考慮分布電容。
       
有些用於工控的項目,建議不要用無源晶振的方法來起振,而是直接接有源晶振。也是主要由於無源晶振需要起振的原因,而工控項目要求穩定性要好,所以會直接用有源晶振。在有頻率越高的頻率的晶振,穩定度不高,所以在速度要求不高的情況下會使用頻率較低的晶振。

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