電子電路基礎：晶振電路設計方案及建議

該文將討論晶振電路設計方案，并解釋電路中的各個元器件的具體作用，并且在元器件數值的選擇上提供指導。最后，就消除晶振不穩定和起振問題，最后文章還將給出了一些建議措施。

1 晶振的等效電氣特性

(1) 概念

[1] 晶片，石英晶體或晶體、晶振、石英晶體諧振器

從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片。

[2] 晶體振蕩器

在封裝內部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。

(2) 晶振等效電路

圖1. 晶振的等效電路

圖1 展示了晶振等效的電路。R是ESR串聯等效阻抗，L和C分別是晶振等效電感和等效電容。Cp是晶振的伴身電容，其極性取決于晶振的極性。

圖2 是晶振的電抗頻譜線。

圖2. 晶振的電抗頻譜線

根據圖 2，當晶振工作在串聯諧振狀態下時，電路就似一個純電阻電路，感抗等于容抗(XL=XC)。串聯諧振的頻率為：

當晶振工作在并聯諧振模式時，晶振表現為感性。該模式的工作頻率由晶振的負載決定。對于并聯諧振狀態的晶振，晶振制造商應該指定負載電容CL。在這種模式下，振動頻率由下式給出

在并聯諧振模式下，電抗線中fs到fa的斜線區域內，通過調整晶振的負載，如圖2，晶振都可以振蕩起來。

2 晶振電路的設計

圖3所示為推薦的晶振振蕩電路圖。這樣的組成可以使晶振處于并聯諧振模式。反相器在芯片內體現為一個AB型放大器，它將輸入的電量相移大約180°后輸出;并且由晶振，R1，C1和C2組成的π型網絡產生另外180°的相移。所以整個環路的相移為360°。這滿足了保持振蕩的一個條件。其它的條件，比如正確起振和保持振蕩，則要求閉環增益應≥1。

圖3. 晶振振蕩器設計電路

反相器附近的電阻Rf產生負反饋，它將反相器設定在中間補償區附近，使反相器工作在高增益線性區域。電阻值很高，范圍通常在500KΩ ~2MΩ內。

圖示的C1，C2就是為晶振工作在并聯諧振狀態下得到加載電容CL的電容。關于最優的加載電容CL的計算公式為：

這里CS是PCB的漂移電容(stray capacitance)，用于計算目的時，典型值為5pf。現在C1和C2選擇出來滿足上面等式。通常選擇的C1和C2是大致相等的。C1和/或C2的數值較大，這提高了頻率的穩定性，但減小了環路增益，可能引發起振問題。

R1是驅動限流電阻，主要功能是限制反相器輸出，這樣晶振不會被過驅動(over driven)。R1、C1組構成分壓電路，這些元器件的數值是以這樣的方式進行計算的：反相器的輸出接近rail-to-rail值，輸入到晶振的信號是rail-to-rail的60%，通常實際是令R1的電阻值和的C1容抗值相等，即R1 ≈ XC1。這使晶振只取得反相器輸出信號的一半。要一直保證晶振消耗的功率在廠商說明書規定范圍內。過驅動會損壞晶振。

理想情況下，反相器提供180°相移。但是，反相器的內在延遲會產生額外相移，而這個額外相移與內在延遲成比例。為保證環路全相移為n360°，π 型網絡應根據反相器的延遲情況，提供小于180°的相移。R1的調整可以滿足這一點。使用固定大小的C1和C2，閉環增益和相位可隨R1變化。如果上述兩個條件均得到了滿足，在一些應用中，R1可以忽略掉。

一些芯片內置了全部這些外部器件(Rf, R1, C1, and C2)，因此消除了電路設計師的煩惱。這種情況下，只要把晶振連接在XTAL和XTAL引腳上即可。

提示:

選擇ESR小的晶振，有利于解決起振問題。較小的ESR可以增加環路增益。

在PCB板上縮短線路可以減小漂移電容。這也有利于解決晶振起振和振蕩頻率的問題。

在工作的溫度下和工作的電壓范圍內經常性測試一下電路，以確保晶振起振和持續振蕩。必要的時候調整元器件的數值。

為了取得最好效果，晶振的設計，用至少0.4 Vdd(峰峰值)的電平驅動時鐘反相器。調節晶振不能滿足要求。為了獲得進一步的設計協助，請聯系晶振制造商。

為了優化R1，我們推薦先計算C1和C2(前面已經解釋過如何計算)。將R1替換成電位計，將其初始值設置到大約XC1。如果需要，調節電位計的設置，直到晶振起振并在穩態條件下保持振蕩。