在低功耗設計中晶體的選擇非常重要,尤其帶有睡眠喚醒的系統,往往使用低電壓以求低功耗。由于較低的供電電壓,使得提供給晶體的激勵功率減少,造成晶體起振很慢或根本就不能起振。
實際應用中發現,這一現象在上電復位時并不十分明顯,這是由于上電時電路有足夠的擾動,振蕩很容易建立起來。在 MCU 被從睡眠中喚醒時,此時電路的擾動要比上電時小得多,起振變得很不容易。
在振蕩回路中,晶體既不能過激勵,過激勵易于與高次諧波同步;也不能欠激勵,欠激勵導致不容易起振。因此,晶體的選擇應考慮下述幾個要素:諧振頻點、負載電容、激勵功率、溫度特性、長期穩定性。
這就是說,晶振的可靠性工作不僅僅受到負載電容的影響,這一點是我們應用中的一個誤區。
對于負載電容的選擇,應根據晶振供應商提供的 Datasheet 的數值選擇。在許可范圍內,負載電容值越低越好。容值偏大雖有利于振蕩器的穩定,但將會增加起振時間。有些晶振的推薦電路甚至需要串聯電阻 RS,它一般用來來防止晶振被過分驅動。過分驅動晶振會漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍,這將引起頻率的上升,造成頻率偏移,加速老化。
那么如何計算晶振的負載電容?可以根據下式獲得:
Ce = 2 * CL - Cs - Ci
這里, Ce---外接負載電容值(External Load Capacitor Value)
CL---指定的晶體的容性負載(Specified Crystal Capacitive Load)
Cs---PCB板上連線的電容,包括晶體焊盤的電容(PCB Trace Capacitance(include crystal pad capacitance))
Ci---IC 引腳的電容(IC pin Capacitance)
舉個例子:
Ce = 2 * 20pF - 7.3pF - 6pF = 26.7pF = 27pF
電阻RS常用來防止晶振被過分驅動。過分驅動晶振會漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍,這將引起頻率的上升。可用一臺示波器檢測OSC輸出腳,如果檢測一非常清晰的正弦波,且正弦波的上限值和下限值都符合時鐘輸入需要,則晶振未被過分驅動;相反,如果正弦波形的波峰,波谷兩端被削平,而使波形成為方形,則晶振被過分驅動。這時就需要用電阻RS來防止晶振被過分驅動。判斷電阻RS值大小的最簡單的方法就是串聯一個5k或10k的微調電阻,從0開始慢慢調高,一直到正弦波不再被削平為止。通過此辦法就可以找到最接近的電阻RS值。
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