Pierce振荡器设计
一、Pierce振荡器电路
Inv:内部反相器,作用等同于放大器;
Q:石英晶体或陶瓷晶振;
RF:内部反馈电阻(使反相器工作在线性区);
RExt:外部限流电阻(防止石英晶体被过分驱动);
CL1、CL2:外部负载电容;
Cs:杂散电容;
二、负载电容CL
CL值取决于外部电容CL1和CL2,及电路板上的杂散电容Cs。晶振制造商会给出CL值,为了保证振荡频率精度,需要使标称CL与实际CL尽可能接近。CL表达式如下:
——式1
Cs一般是3~5pF
三、振荡器的增益裕量
增益裕量是最重要的参数,它决定振荡器是否能够正常起振,其表达式为:
——式2
其中:
a.gm是反相器的跨导,其单位是mA/V(高频)或者是μA/V(低频)——这个需要从微控制器的Datasheet中查找
b.gmcrit的值取决于晶振本身的参数——要通过晶振给出的数据计算得出
假定CL1=CL2,并假定晶振的CL与标称一致,则gmcrit表达式如下:
——式3
ESR指晶振的等效串联电阻。
为保证晶振可靠起振,增益裕量的最小值一般设为5。
四、驱动等级测量
驱动等级可以由下式计算得出:
——式4
IQRMS是交流电流的均方根有效值。
这个电流可以使用小电容(<1pF)分布的示波器探头在放大器的输入端,即OSC_IN引脚,测量电压变化得到。相对于流经CL1的电流,放大器的输入电流可以忽略不计(输入电阻无穷大);因此可以假定经过晶振的电流等于流经CL1的电流。这样在这点上,电压的均方根有效值与电流的均方根有如下关系:
——式5
其中:
a.F是晶体的频率
b.,这里Vpp是在CL1端测量电压的峰-峰值
c. (Cprobe是探头的电容量)
这样,驱动级别可以由下式得出:
——式6
DL数值超过标称值时,需要添加RExt。同时,DL也不可以远小于标称值。
五、外部电阻RExt计算
这个电阻的作用是限制晶振的驱动级别,并且它与CL2组成一个低通滤波器,以确保振荡器的起振点在基频上,而不是在其他高次谐波频率上(避免3次、5次、7次谐波频率)。如果晶振的功耗超过晶振制造商的给定值,外部RExt是必须的,避免晶振被过分驱动。如果晶振的功耗小于标称值,不需使用外部电阻。
对RExt值的预估可以通过考虑由RExt和CL2的电压分压RExt/CL2实现(注意到RExt和CL2构成一个分压/滤波器,考虑通带宽度不小于振荡器频率),则由RExt的值等于CL2的电抗:
——式7
优化REXt的方法:首先确定CL1、CL2的值,然后用电位器代替RExt,RExt值可设为CL2的电抗值。然后调整电位器的值直到它满足驱动级别的需要,此时电位器的值就是RExt的值
注意:在计算完RExt的值后,仍然需要重新计算gainmargin的值,以确保RExt对起振没有影响。
——式8
六、启动时间
启动时间指振荡器启动并达到稳定所需的时间。这个时间受外部电容CL1、CL2影响,同时它随着晶振的频率的增加而减少,石英晶体的起振时间要比陶瓷晶振的时间要长得多。
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