晶體振盪器的負載電容器搭配

本文討論的是一種利用並聯負載電容搭配晶振的常見的方法,也即皮爾斯震盪器(Pierce振盪器)。

一般來說,為晶體振盪器選擇負載電容器的最佳起點是跟據規格書上的材料驅動標稱值。 我們以 ATMEGA328PB-MU 為例。

請注意,16MHz 晶體適用於 5V 應用。 同時,像3.3V 較低電壓在應用中需要較慢的晶體。 Microchip 規格書中的建議是: 在 3.3V 應用中將晶體振盪器速度設置為 8MHz。

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Ce : 外接電容,電路圖中為C1和C2

Ci: 接腳電容量

CL: 晶體製造商定義的負載電容

CS: 微控制器上一個XTAL接腳上的總寄生電容

我們繼續以製造商展示板上的組件為例,即ATMEGA328PB-XMINI

展示板上使用的晶體的零件料號為:TSX-3225 16.0000MF09Z-AC3

製造商為該晶體指定的負載電容為9pF。

一般寄生電容通常在2pF至5pF之間。確保將晶體盡可能放在靠近微控制器的位置,以避免由此電容值可能出現的問題。

所以套用上面的方程式

(2 x 晶體負載電容) - 寄生電容

(2 x 9pF) - 5pF = 13pF

從Xplained Mini ATMEGA328PB 評估板的電路圖顯示,它們使用了12pF負載電容。

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在大多數情況下,以上資訊足以完成振盪電路。

但是,由於大多數人無法測量實際的寄生電容,因此寄生電容值具有不確定性。此外,設計者可能沒有將晶體放置在盡可能靠近零件的位置。

在晶體可靠性至關重要且環境溫度會影響電容性應用的大多數情況下,設計者可以遵循稱為安全係數的做法。

使用安全係數進行快速測試的方法是根據上面的負載電容方程式,在本示例中以 13pF 為起點,並以低於和高於示例中提供12pF 的電容值逐漸代入電路中,直到電路出現故障。

之後,記錄低於和高於13pF的故障值。假設本例中的電路在 5pF 和 25pF 時發生故障。

取5pF和25pF的中位數,即(5pF + 25pF)÷2 = 15pF

此外,在複雜應用場景的情況下,這些測試是在現場溫度下進行的。

該測試將考慮電路中的寄生電容,新電容值 15pF 比以方程式計算得到的更可靠。如果對電路可靠性的要求很高,或者作為解決間歇性晶體故障的方法,建議使用這測試方法。

晶體振盪器的一個缺點是機械衝擊/振動會導致它們失效,在這些情況下,建議使用外接 MEMS 振盪器。