0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

PCB上晶体振荡电路的设计

dytfki8u8yql 来源:电子威廉希尔官方网站 控 作者:电子威廉希尔官方网站 控 2023-03-24 09:24 次阅读

今天主要给大家简单介绍一下:PCB 上晶体振荡电路的设计。

在大部分电路中,设计晶体振荡电路是经常会遇到的。 网络上也有很多关于晶体振荡器设计的笔记,不过都是针对大规模生产,这种方法也需要投入大量的测试和不断地进行优化。

这篇文章更加适合小型的电路项目,可以帮助你设计晶体振荡器和选择合适的负载电容

PCB 图

一、PCB上 晶体振荡电路设计步骤

这里主要有 4个简单的步骤:

1、选择晶体振荡器

选择晶体振荡器需要考虑到以下3 个因素:

可拉性与功耗

振荡器对频率变化的功耗启动时间与封装尺寸

上电后达到稳定振荡所需要的时间成本

1) 可拉性与功耗

一般来说,拉力低的晶体振荡器需要较大的负载。 每个振荡周期都必须要释放电容的能力,因此更大的负载电容意味着更高的功耗损耗。

很多微控制器的 datasheet 中都会有推荐负载电容的最大值,这样的话可以减低驱动电路中的功耗。

2) 振荡器对频率变化的功耗启动时间与封装尺寸

较小的晶体振荡器封装具有较大的 ESR ,较大的 ESR 会提供较大的临界增益(gm_crit),从而降低增益宽=裕度。

增益裕度降低意味着晶体需要更长的时间才能启动。

3) 上电后达到稳定振荡所需要的时间成本

其实很多时候性能和成本并不是强关联,如果在满足性能下,可以选择成本相对较低的晶体振荡器。

2、检查微控制器是否可以驱动晶体振荡器

通常来微控制器的 datasheet 中会提供一些关于怎么选择晶体振荡器。 这些参数与临界增益由关,临界增益是微控制器电路启动晶体振荡器所需的最小增益。

有的 datasheet 还会提供一组给定频率和负载电容的晶体振荡器允许的最大的 ESR。

如果微控制器数据表提供 振荡器跨导 (通常以uA/V为单位)或最大临界增益,那么我们需要计算晶体的临界增益并检查微控制器是否可以驱动它。

下面为临界增益计算公式:

wKgaomQc--KAYRS6AAE-L2z0f3M982.png

临界增益公式

在这个公式中:

F 是晶体振荡器的标称频率

ESR 是晶体的等效串联电阻

CO 是晶振并联电容

CL 是晶体的标称负载电容

临界增益是晶体的一个属性,这些参数在晶体的数据手册中。

接下来计算增益裕度。 如果增益余量大于5,则振荡器将可靠启动。 更大的增益余量意味着更快的振荡器启动。

晶体振荡器的启动条件:增益余量大于5,如下公式所示:

wKgZomQc--KAS8mWAAEPEy2bTyA261.png

晶体振荡器的启动条件

下面为增益裕度计算公式:

wKgaomQc--KAIbh9AAASnhZJM9s835.png

增益裕度

或者,一些微控制器数据表提供了最大临界增益gm_crit_max。 在这种情况下,gm_crit必须小于gm_crit_max。

如果微控制器不满足驱动晶振的要求,就需要重新选择晶体振荡器。

3、晶体振荡器的功耗

datasheet 中会指定了晶体的驱动电平 (DL),驱动电平基本上是晶振正常工作时的最大额定功率。

驱动电平的粗略估计可以用下面这个公式计算:

wKgaomQc--KAQDtwAAAOTaGGHuU192.png

驱动电平驱动电平计算公式

在上面这个公式中:

△V 是 峰峰值振荡器电压 ——最坏的情况:△V=Vcc

如果估计值低于晶体振荡器的额定驱动电平,则直接进行下一步。

wKgaomQc--KAV-HwAAANDc2L2Pg324.png

符合要求的驱动电平

如果估计值高于晶体振荡器的额定驱动电平,你可以改进估计值或者重新另外的晶体振荡器。

4、选择负载电容 CL1和 CL2

第一次设计晶体振荡电路的时候,先假设两个负责电容是并联的。 选择了CL1=CL2=0.5*CL,但经过验证过后,这是错误的。

负载电容是晶体两端所需的电容,因此 CL1 和CL2 串联。 负载电容的计算公式如下所示:

wKgZomQc--KAMzE1AAAJmgF6WG4610.png

负载电容的计算公式

将负载电容的计算公式简化一下,简化后的公式如下所示:

wKgZomQc--KAO5pUAAAJX517aa0307.png

简化后的负载电容计算公式

Cstray 是来自微控制器引脚和走线电容的杂散电容的累积,很多有经验的工程师建议,将这个值估计为 5pF 左右。

则公式为以下:

wKgaomQc--KAVipOAAAOakwlGWg944.png

负载电容公式

一些微控制器数据手册提供了更准确数据一一例如,msp430f22x2系列指定了 1pF 的杂散电容,非常适合其低功耗模型。

二、PCB 中晶体振荡电路设计

这里希望通过 PCB 布局来最小化振荡器和外部信号之间的耦合,因为高频耦合会激发晶体振荡器的高次谐波,晶振是干扰外部电路的噪声源。

具体有以下几点需要注意:

1、晶体振荡器靠近微控制器

短走线具有低互感和电容,长走线具有高互感和电容。 使晶体靠近微控制器可以缩短走线,从而减少耦合。 所以 走线的长度尽可能短,但不能与其他信号线交叉 。

2、振荡器电路与高频电路隔离开

路由非振荡器信号时, 高频电路要远离振荡器电路 。 也可以考虑使用带有通孔的铜迹线,围绕着振荡器电路,这将减少外部信号线和振荡器之间的互感。

振荡器电路与高频电路隔离开

通常的做法是 将振荡器电路下方的接地层分开,仅在一点点连接分离的接地层,就在微控制器接地旁边。 这可以防止来自其他信号源的返回电流通过振荡器使用的接地层。 上图的示例就是按照这种方法,只是没有很明显。

3、晶振靠近 CPU 芯片摆放,但要尽量远离板边。

因为内部石英晶体的存在,由于外部冲击或跌落容易损坏石英晶体,从而造成晶体不振荡,在设计可靠的安装电路时要考虑晶体,靠近 CPU 芯片的位置优先放置远离板块的一面。

wKgZomQc--KAem0kAAFkmeZYdx8048.jpg

晶振放置图

(圆柱晶振)外壳接地后,加一个与晶振形状相似的长方形焊盘,让晶振“平放”在这个焊盘上,并在焊盘的两个长边附近开一个孔(孔要落在焊盘上,最好用多层焊盘代替孔,两个多层焊盘要接矩形焊盘),然后用铜线或其他裸线将晶振“箍”起来,铜线的两端焊接在你开的两个孔或焊盘上。 这样可以避免高温焊接对晶振的损坏,保证良好的接地。

4、手工或机器焊接时,要注意焊接温度

晶振对温度敏感,焊接时温度不宜过高,加热时间尽量短。

5、耦合电容应尽量靠近晶振的电源管脚放置

放置顺序: 根据功率流向,按电容值从小到大排列 ,电容最小的电容值最接近电源引脚。

6、晶振外壳接地

晶振外壳接地(如果接地影响负载电容的话,就不能接地) ,既可以从晶振向外辐射,也可以屏蔽外界信号对晶振的干扰。

7、不要在晶振下方布线,确保完全铺设好地线

在晶振 300mil 范围内不要布线 ,以免晶振干扰其他布线、器件和层的性能。

8、时钟信号的走线尽量短,线宽要大一些

时钟信号的走线尽量短,线宽要大一些 。 在布线长度与热源的距离之间找到平衡点。

三、示例1∶为 STM32 设计 8MHZ 晶体振荡器

1、选择晶振

STM32F427 数据手册中要求:

对于 4-26MHz 晶体,Gm_crit_max=1mA/V

频率容差必须为 +/-500ppm 或更好

CL1 和 CL2 建议在 5pF 到 25pF 之间

这里我们选择 7A-8.000MAAJ-T,虽然 STM32 的引脚间距为0.5mm,但晶振的尺寸小,可以放置在靠近在 STM32的位置。

7A-8.000MAAJ-T 晶振的特性:

CL= 18 pF

红电灯= 60 Ω

频率稳定性= 50 ppm

频率容差= 30 ppm

CO= 7pF最大值

驱动电平(DL)= 500uW max

2、检查微控制器是否可以驱动晶振,计算 gm_crit(增益裕度)∶

wKgaomQc--KAJ3HlAAAONbfwfDc248.png

gm_crit计算公式

所以gm_crit低于Gm_critmax,振荡器电路将可靠启动。

3、晶振可以处理功率损耗吗?

这里粗略估计电路的驱动电平∶

wKgaomQc--KAQDtwAAAOTaGGHuU192.png

驱动电平计算公式

计算得 DL =267uW,低于晶体允许的最大驱动电平500uW。

4、选择 负载电容 CL1 和 CL2

假设 Cstray=5pF,则∶

wKgaomQc--KAVipOAAAOakwlGWg944.png

负载电容公式

CL1=26pF

STM32 建议将 CL1和CL2保持在 25pF 以下,所以可以选 24 pF 的电容。

四、示例2∶为 ATMEGA328 选择 16MHZ 晶体振荡器

1、选择晶振

ATMega328 数据手册的要求:

16MHz 的最小电压为 3.78V,以适应安全操作,如图下所示。 要驱动 16MHz 时钟,我们必须在 3.78V 或以上,对于本设计,我们在 5V 下工作。

CL1 和 CL2 建议在 12pF 到 22pF 之间

wKgZomQc--KAWEOqAAKWmWfsexo693.png

ATMega328 数据手册

这里选择 9B-16.000MAAE-B 晶振。 9B-16.000MAAE-B 晶振 的特性参数如下所示:

CL= 12pF

红氧化 = 30Ω

频率稳定性= 30ppm

频率容差= 30ppm

C0= 7pF最大值

驱动电平( DL)=500uWmax

2、检查微控制器是否可以驱动晶振

ATMega328 的数据表中 没有跨导规范,这里就必须让开发人员设置好保险丝 ,以便在填充 PCB 后启用振荡器。

3、晶振可以处理功率损耗吗?

粗略估计电路的驱动电平(DL)∶

wKgaomQc--KAQDtwAAAOTaGGHuU192.png

驱动电平计算

驱动电平( DL )=545uW。

驱动电平估计值太高。 但是,如果选择 CL1并且表明设计的功耗是可以承受的,就可以改进这个估计值。

4、选择 负载电容 CL1 和 CL2

假设Cstray=5pF,则∶

wKgZomQc--KAO5pUAAAJX517aa0307.png

负载电容 计算

CL1= 14PF。

审核编辑:汤梓红
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • pcb
    pcb
    +关注

    关注

    4319

    文章

    23082

    浏览量

    397551
  • 电路设计
    +关注

    关注

    6673

    文章

    2451

    浏览量

    204193
  • 晶体
    +关注

    关注

    2

    文章

    1351

    浏览量

    35418
  • 振荡电路
    +关注

    关注

    17

    文章

    502

    浏览量

    98778
  • 晶体振荡器
    +关注

    关注

    9

    文章

    618

    浏览量

    29111
  • 晶体振荡电路

    关注

    0

    文章

    29

    浏览量

    6207

原文标题:四、示例2∶为 ATMEGA328 选择 16MHZ 晶体振荡器

文章出处:【微信号:电子威廉希尔官方网站 控,微信公众号:电子威廉希尔官方网站 控】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    3ms之内起振!Epson低功耗晶体振荡器助力FA相机的时钟振荡电路设计

    本文介绍EPSON(爱普生)公司的SG-210STF晶体振荡器在FA相机中的应用。在下图1所示的FA相机系统中,为了保证处理器(Processor)正常有序地工作,需要接入时钟信号(如图1中的A
    发表于 11-29 13:34 0次下载

    石英晶体振荡器的振幅条件及其在电路设计中的应用

    石英晶体振荡器是电子设备中提供精确时钟信号的关键组件。为了确保振荡器能够顺利启动并维持稳定的振荡,必须满足特定的振幅条件。晶发电子将探讨这些条件,并解释如何在电路设计中应用这些原则。
    发表于 09-26 14:16

    压控晶体振荡器和石英晶体振荡器的区别

    压控晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO)和石英晶体振荡器(Quartz Crystal Oscillator, XO)虽然都属于晶体振荡器的范畴,但它们在功能、特性
    的头像 发表于 09-25 17:38 393次阅读

    振荡电路评估方法(2)为评估振荡电路而进行的工作(振荡裕度与激励功率篇)

    【序文】为了获得稳定的振荡,通常情况下石英晶体单元与振荡电路的匹配十分重要。若电路结构与晶体单元的匹配中存在问题,就会产生频率不够稳定、停止
    的头像 发表于 09-02 11:27 294次阅读
    <b class='flag-5'>振荡电路</b>评估方法(2)为评估<b class='flag-5'>振荡电路</b>而进行的工作(<b class='flag-5'>振荡</b>裕度与激励功率篇)

    振荡电路评价方法(1)为评估振荡电路而进行的工作(频率匹配篇)

    为评估振荡电路而进行的工作(频率匹配篇)【序文】为了获得稳定的振荡,通常情况下石英晶体单元与振荡电路的匹配十分重要。若电路结构与
    的头像 发表于 08-19 16:30 310次阅读
    <b class='flag-5'>振荡电路</b>评价方法(1)为评估<b class='flag-5'>振荡电路</b>而进行的工作(频率匹配篇)

    振荡电路振荡频率的决定因素

    振荡电路有LC振荡电路、RC振荡电路晶体振荡电路等。 1.1 LC振荡电路 LC振荡电路由电
    的头像 发表于 08-02 10:49 2375次阅读

    晶体振荡电路晶体振荡器的工作原理和分类

    晶体振荡器是一种电子振荡电路,其核心是利用石英晶体的压电效应产生稳定的频率信号。具体来说,晶体振荡器是由一块石英
    的头像 发表于 06-25 17:36 3320次阅读
    <b class='flag-5'>晶体振荡</b>器<b class='flag-5'>电路</b>图 <b class='flag-5'>晶体振荡</b>器的工作原理和分类

    低频振荡电路新常识

    低频振荡电路新常识目录1.电子器械产品的市场变化趋势2.音叉型晶体单元与半导体工艺威廉希尔官方网站 的变化趋势3.小型化对特性的影响及其对策3-1.因CI值(晶体阻抗;CrystalImpedance)的增大而
    的头像 发表于 06-25 14:42 1081次阅读
    低频<b class='flag-5'>振荡电路</b>新常识

    为评估振荡电路而进行的工作振荡裕度与激励功率篇(振荡电路评估方法2)

    【序文】为了获得稳定的振荡,通常情况下石英晶体单元与振荡电路的匹配十分重要。若电路结构与晶体单元的匹配中存在问题,就会产生频率不够稳定、停止
    的头像 发表于 06-25 11:09 323次阅读
    为评估<b class='flag-5'>振荡电路</b>而进行的工作<b class='flag-5'>振荡</b>裕度与激励功率篇(<b class='flag-5'>振荡电路</b>评估方法2)

    为评估振荡电路而进行的工作频率匹配篇(振荡电路评价方法1)

    【序文】为了获得稳定的振荡,通常情况下石英晶体单元与振荡电路的匹配十分重要。若电路结构与晶体单元的匹配中存在问题,就会产生频率不够稳定、停止
    的头像 发表于 06-25 10:25 480次阅读
    为评估<b class='flag-5'>振荡电路</b>而进行的工作频率匹配篇(<b class='flag-5'>振荡电路</b>评价方法1)

    使用FET的低压晶体振荡电路

    我们可以很容易地使用FET和晶体来产生频率作为低压晶体振荡电路,1.5V-10V电源。
    的头像 发表于 06-09 15:05 540次阅读
    使用FET的低压<b class='flag-5'>晶体振荡</b>器<b class='flag-5'>电路</b>

    一文详解晶体振荡

    晶体振荡器是一种电子振荡电路,用于压电材料振动晶体的机械谐振。它将产生具有给定频率的电信号。该频率通常用于记录时间,例如手表用于数字集成电路
    的头像 发表于 02-06 11:18 4741次阅读
    一文详解<b class='flag-5'>晶体振荡</b>器

    晶体振荡电路图分享

    晶体振荡器是一种特殊的振荡器,它采用石英晶体作为频率控制元件。在石英晶体按照一定方位角切下薄片,这个薄片称为晶片或石英
    的头像 发表于 02-06 11:03 1.1w次阅读
    <b class='flag-5'>晶体振荡</b>器<b class='flag-5'>电路</b>图分享

    在PIC单片机振荡电路中如何选择晶体

    在PIC单片机振荡电路中如何选择晶体? 在PIC单片机振荡电路中选择晶体是一个重要的步骤,它直接影响到系统的稳定性和性能。本文将详细介绍如何选择适合的
    的头像 发表于 01-31 09:28 621次阅读

    什么是晶体振荡器老化?老化的原因 如何测量晶体振荡器的老化?

    什么是晶体振荡器老化?晶体振荡器老化的原因 如何测量晶体振荡器的老化? 晶体振荡器是一种以晶体谐振频率为基准在电子设备中产生稳定时钟信号的器
    的头像 发表于 01-25 13:51 895次阅读