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來(lái)源：http://www.sedorisc.com 作者：康華爾電子 2020年03月10
晶體選擇與權(quán)衡案例分析
如何選擇一顆合適的晶體?相信這是許多工程和采購(gòu)都在考慮的問(wèn)題,尤其是在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí),許多會(huì)選擇咨詢供應(yīng)商,這確實(shí)也是一個(gè)好辦法,但是對(duì)工程來(lái)說(shuō),自己來(lái)了解這些專業(yè)知識(shí),會(huì)對(duì)研發(fā)有更大的作用.進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的石英晶體有很多種,品牌多到眼花繚亂,康華爾電子整理了部分相關(guān)的知識(shí)精講,以及幾個(gè)案例,為大家仔細(xì)的講解講解.
選擇晶體時(shí)需要進(jìn)行以下權(quán)衡:
●可拉性-衡量振蕩器對(duì)頻率變化的脆弱性
●能量消耗
●啟動(dòng)時(shí)間-上電后達(dá)到穩(wěn)定振蕩所需的時(shí)間
●包裝尺寸
●成本
權(quán)衡:可拉性與功耗
具有低可拉性的石英晶體諧振器需要更大的負(fù)載電容.每個(gè)振蕩周期都必須消耗電容器能量,因此,較大的負(fù)載電容器意味著較高的功率損耗.許多微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)都建議為負(fù)載電容器提供最大值,以減少驅(qū)動(dòng)電路中的功耗.所以你需要權(quán)衡;堅(jiān)固性或功耗.
需要澄清的是,這種折衷取決于所選晶體的CL要求.而不是CL1和CL2值.如果需要降低功耗或提高可拉性,請(qǐng)選擇需要不同CL的新晶體.
權(quán)衡:啟動(dòng)時(shí)間與封裝尺寸
較小的晶體封裝具有較大的ESR.較大的ESR提供較大的臨界增益(gm_crit),從而降低了增益裕度.增益裕度降低意味著晶體需要更長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間.
交易?成本
有些晶體比其他晶體便宜.我要說(shuō)的是,價(jià)格更高的晶振意味著更好的質(zhì)量.但這有時(shí)是真的.就電容器而言,在皮法拉范圍內(nèi),C0G幾乎可用.它們的公差為+/-5％,適用于振蕩器電路.
例1:為STM32設(shè)計(jì)8MHz晶體振蕩器
讓我們?yōu)镾TM32F427設(shè)計(jì)一個(gè)8MHz的晶體振蕩器電路.
步驟1:選擇水晶
我們對(duì)晶體有什么容忍度?
STM32F427數(shù)據(jù)表規(guī)定了以下內(nèi)容:
1. 對(duì)于4-26MHz晶體,Gm_crit_max=1mA/V
2. 頻率公差必須為+/-500ppm或更高
3. 建議將CL1和CL2分別設(shè)置在5pF至25pF之間
4. 讓我們從TXC中選擇7A-8.000MAAJ-T.盡管STM32的引腳間距為0.5mm,但SMD晶振的小尺寸允許我們將其放置在靠近STM32的位置.
該晶體具有以下特性:
CL=18pF
ESR=60Ω
頻率穩(wěn)定性=50ppm
頻率容差=30ppm
C0=7pFmax
驅(qū)動(dòng)電平=500uWmax
步驟2:檢查微控制器是否可以驅(qū)動(dòng)晶體
首先,計(jì)算gm_crit:
因此,gm_crit低于Gm_critmax.振蕩器電路將可靠地啟動(dòng).
步驟3:晶體可以處理功率損耗嗎?
接下來(lái),大致估算電路的驅(qū)動(dòng)電平:
計(jì)算得出的驅(qū)動(dòng)電平低于晶體的最大允許驅(qū)動(dòng)電平500uW.
步驟4:選擇負(fù)載電容器CL1和CL2
假設(shè)C雜散=5pF(STM32的應(yīng)用筆記AN2867建議將此作為初始估計(jì)值),則:
STM32建議將CL1和CL2保持在25pF以下.供應(yīng)商僅庫(kù)存24pF和27pF電容器;不存在26pF電容器.選擇24pF或27pF電容器都可以.
例2:為ATMEGA328選擇16MHZ石英晶體振蕩器
該芯片似乎很受歡迎.讓我們?cè)谄渖戏乓粋€(gè)16MHz的晶體-就像Arduino一樣.
步驟1:選擇水晶
我們對(duì)晶體振蕩器的容忍度是多少?
ATMega328數(shù)據(jù)表規(guī)定了以下內(nèi)容:
1.為了適合安全工作,16MHz的最小電壓為3.78V,如圖3所示.要驅(qū)動(dòng)16MHz時(shí)鐘,我們必須在3.78V或更高電壓下運(yùn)行,為此設(shè)計(jì),我們?cè)?V下工作.
2.建議的CL1和CL2分別在12pF至22pF之間
從TXC晶振中選擇9B-16.000MAAE-B.
該晶體具有以下特性:
CL=12pF
ESR=30Ohm
頻率穩(wěn)定性=30ppm
頻率容差=30ppm
C0=7pFmax
驅(qū)動(dòng)電平=500uWmax
步驟2:檢查微控制器是否可以驅(qū)動(dòng)晶體
ATMega328的數(shù)據(jù)表中沒(méi)有跨導(dǎo)規(guī)范.
一旦安裝了PCB,您將必須讓嵌入式開(kāi)發(fā)人員設(shè)置正確的保險(xiǎn)絲以啟用有源晶振-這在Atmel工作室中很容易做到.
步驟3:晶體可以處理功率損耗嗎?
接下來(lái),大致估算電路的驅(qū)動(dòng)電平:
驅(qū)動(dòng)器級(jí)別估計(jì)過(guò)高.但是,一旦選擇了CL1并表明設(shè)計(jì)的功耗是可以忍受的,我們就可以改善這一估計(jì).
步驟4:選擇負(fù)載電容器CL1和CL2
假設(shè)C雜散=5pF,則:
AVX出售適用于該電路的一系列14pFC0G陶瓷電容器.
額外步驟:改善DL估算
從AN2867開(kāi)始,
這使Ctot=16.5pF,DLESTIMATE=258uW.
我通常不使用此方程式的原因是,它要求在檢查驅(qū)動(dòng)器級(jí)別之前已知CL1.如果來(lái)自初始估算的驅(qū)動(dòng)電平很小,通常可以使用上面的公式來(lái)表明您的進(jìn)口晶振選擇是合適的.
晶體選擇與權(quán)衡案例分析
如何選擇一顆合適的晶體?相信這是許多工程和采購(gòu)都在考慮的問(wèn)題,尤其是在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí),許多會(huì)選擇咨詢供應(yīng)商,這確實(shí)也是一個(gè)好辦法,但是對(duì)工程來(lái)說(shuō),自己來(lái)了解這些專業(yè)知識(shí),會(huì)對(duì)研發(fā)有更大的作用.進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的石英晶體有很多種,品牌多到眼花繚亂,康華爾電子整理了部分相關(guān)的知識(shí)精講,以及幾個(gè)案例,為大家仔細(xì)的講解講解.
選擇晶體時(shí)需要進(jìn)行以下權(quán)衡:
●可拉性-衡量振蕩器對(duì)頻率變化的脆弱性
●能量消耗
●啟動(dòng)時(shí)間-上電后達(dá)到穩(wěn)定振蕩所需的時(shí)間
●包裝尺寸
●成本
權(quán)衡:可拉性與功耗
具有低可拉性的石英晶體諧振器需要更大的負(fù)載電容.每個(gè)振蕩周期都必須消耗電容器能量,因此,較大的負(fù)載電容器意味著較高的功率損耗.許多微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)都建議為負(fù)載電容器提供最大值,以減少驅(qū)動(dòng)電路中的功耗.所以你需要權(quán)衡;堅(jiān)固性或功耗.
需要澄清的是,這種折衷取決于所選晶體的CL要求.而不是CL1和CL2值.如果需要降低功耗或提高可拉性,請(qǐng)選擇需要不同CL的新晶體.
權(quán)衡:啟動(dòng)時(shí)間與封裝尺寸
較小的晶體封裝具有較大的ESR.較大的ESR提供較大的臨界增益(gm_crit),從而降低了增益裕度.增益裕度降低意味著晶體需要更長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間.
交易?成本
有些晶體比其他晶體便宜.我要說(shuō)的是,價(jià)格更高的晶振意味著更好的質(zhì)量.但這有時(shí)是真的.就電容器而言,在皮法拉范圍內(nèi),C0G幾乎可用.它們的公差為+/-5％,適用于振蕩器電路.
例1:為STM32設(shè)計(jì)8MHz晶體振蕩器
讓我們?yōu)镾TM32F427設(shè)計(jì)一個(gè)8MHz的晶體振蕩器電路.
我們對(duì)晶體有什么容忍度?
STM32F427數(shù)據(jù)表規(guī)定了以下內(nèi)容:
1. 對(duì)于4-26MHz晶體,Gm_crit_max=1mA/V
2. 頻率公差必須為+/-500ppm或更高
3. 建議將CL1和CL2分別設(shè)置在5pF至25pF之間
4. 讓我們從TXC中選擇7A-8.000MAAJ-T.盡管STM32的引腳間距為0.5mm,但SMD晶振的小尺寸允許我們將其放置在靠近STM32的位置.
該晶體具有以下特性:
CL=18pF
ESR=60Ω
頻率穩(wěn)定性=50ppm
頻率容差=30ppm
C0=7pFmax
驅(qū)動(dòng)電平=500uWmax
步驟2:檢查微控制器是否可以驅(qū)動(dòng)晶體
首先,計(jì)算gm_crit:
因此,gm_crit低于Gm_critmax.振蕩器電路將可靠地啟動(dòng).
步驟3:晶體可以處理功率損耗嗎?
接下來(lái),大致估算電路的驅(qū)動(dòng)電平:
計(jì)算得出的驅(qū)動(dòng)電平低于晶體的最大允許驅(qū)動(dòng)電平500uW.
步驟4:選擇負(fù)載電容器CL1和CL2
假設(shè)C雜散=5pF(STM32的應(yīng)用筆記AN2867建議將此作為初始估計(jì)值),則:
STM32建議將CL1和CL2保持在25pF以下.供應(yīng)商僅庫(kù)存24pF和27pF電容器;不存在26pF電容器.選擇24pF或27pF電容器都可以.
例2:為ATMEGA328選擇16MHZ石英晶體振蕩器
該芯片似乎很受歡迎.讓我們?cè)谄渖戏乓粋€(gè)16MHz的晶體-就像Arduino一樣.
我們對(duì)晶體振蕩器的容忍度是多少?
ATMega328數(shù)據(jù)表規(guī)定了以下內(nèi)容:
1.為了適合安全工作,16MHz的最小電壓為3.78V,如圖3所示.要驅(qū)動(dòng)16MHz時(shí)鐘,我們必須在3.78V或更高電壓下運(yùn)行,為此設(shè)計(jì),我們?cè)?V下工作.
2.建議的CL1和CL2分別在12pF至22pF之間
該晶體具有以下特性:
CL=12pF
ESR=30Ohm
頻率穩(wěn)定性=30ppm
頻率容差=30ppm
C0=7pFmax
驅(qū)動(dòng)電平=500uWmax
步驟2:檢查微控制器是否可以驅(qū)動(dòng)晶體
ATMega328的數(shù)據(jù)表中沒(méi)有跨導(dǎo)規(guī)范.
一旦安裝了PCB,您將必須讓嵌入式開(kāi)發(fā)人員設(shè)置正確的保險(xiǎn)絲以啟用有源晶振-這在Atmel工作室中很容易做到.
步驟3:晶體可以處理功率損耗嗎?
接下來(lái),大致估算電路的驅(qū)動(dòng)電平:
驅(qū)動(dòng)器級(jí)別估計(jì)過(guò)高.但是,一旦選擇了CL1并表明設(shè)計(jì)的功耗是可以忍受的,我們就可以改善這一估計(jì).
步驟4:選擇負(fù)載電容器CL1和CL2
假設(shè)C雜散=5pF,則:
AVX出售適用于該電路的一系列14pFC0G陶瓷電容器.
額外步驟:改善DL估算
從AN2867開(kāi)始,
這使Ctot=16.5pF,DLESTIMATE=258uW.
我通常不使用此方程式的原因是,它要求在檢查驅(qū)動(dòng)器級(jí)別之前已知CL1.如果來(lái)自初始估算的驅(qū)動(dòng)電平很小,通常可以使用上面的公式來(lái)表明您的進(jìn)口晶振選擇是合適的.
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