7晶体

2023-06-14 19:18:28

一、时钟时钟是提供所有信号的基础，它的重要性就不做过多强调了。时钟的使用一般有三种方式，一种是主时钟，一种是实时时钟，另一种是特

一、时钟

时钟是提供所有信号的基础，它的重要性就不做过多强调了。

时钟的使用一般有三种方式，一种是主时钟，一种是实时时钟，另一种是特殊功能时钟。

提供时钟的常用分立器件一般有两种：1、晶体。2、晶振。我们先来说一下晶体。

二、晶体的工作原理

Inv：内部的反向器，作为放大器来工作。

Q：石英晶体或者陶瓷谐振器。

RF：内部反馈电阻（有的器件也需要放置在外部）。

反馈电阻：帮助起振的，一般使用是1M或者10M，具体看CPU手册都会介绍的，或者干脆就集成了，但是我们如果不能确定他是否一定集成了，一定要在外面做一下预留。

RExt：外部电阻，用于限制反向器的输出电流。

CL1 和CL2：两个外部负载电容。

Cs：MCU 引脚（ OSC_IN 和OSC_OUT）间和PCB 线路上的杂散电容，它

是一个并联电容

三、晶体的选型：

1、时钟频率和精度

这个参数一般按照主动器件进行选择就可以。晶体的时钟范围一般在100M以内，多见的就是4M，8M，12M等，实时时钟是32K。

精度，就是是否可以满足对时钟的需求，时钟变化，所有的都要跟着变化。

查看STM32的时钟数说明。20页。也看下AVR 38页

2、封装

晶体封装都属于标准封装，有两个管脚的，有四个管脚的。四个管脚的其中两个管脚是NC的。晶体也没有方向的。一般封装越小失效率越高，一般超过3225封装以上的都没啥问题，不过这个还是粗略没有经过过多考证的经验，具体根据自己需要进行选择（如果板面积允许，价格合适建议选择大封装）。

3、负载电容

负载电容影响晶体的灵敏度和频率等参数，还是非常重要的。CS=5-10pF

计算公式帮助理解负载电容的计算与什么有关，我们选择还是要综合考虑CPU和晶体本身状态，用实际测试波形的方法，将他们调试好。

4、 ESR

ESR如果值比较大会导致晶振无法起振，ESR一般都是越小越好，但是越小也面临着价格越贵。因此应该根据实际情况进行选择。

5、增益裕量

增益裕量是一个关键参数，它决定着振荡器是否能够起振。它的表达式是：

● gm 是反向器的跨导（在高频模块中的单位是mA/V ，在32KHz 低频模块中

的单位是μA/V）

● gmcrit（gm 的临界值），取决于晶体的参数。假设CL1 = CL2，并且晶体上的

负载电容与制造商的给定值完全一样，则gmcrit 可用下式来表示：

增益裕量大于5，一般才可以起振。

如果出现不能起振的现象，就要更换晶振，选取一个更低ESR或者负载电容的晶体试一下。

5、驱动功率

驱动功率就是指晶体内消耗的功率。它必须被限制在一定范围内，否则晶体

会因过度的机械振动而损坏。最大驱动功率由晶体制造商指定。

超过指定的驱动功率，可能会导致晶体损坏。

如果电流驱动过大，还是需要加入REXT的，串入电阻，分走一部分能量，就会有效的保护晶体，同时还要注意，如果太大，相当于晶体的ESR变大了ESR+REXT，会导致增益裕量变小，无法起振的现象，因此要进行综合考虑

6、启动时间

晶体的启动时间，与材料，频率，负载电容。ESR都有关系，大家可以根据实际情况进行分析，一般很少要求启动时间。

一个MHz 级的晶体，启动时间一般是ms 级。

32kHz 晶体的启动时间一般在1-5s 范围内。

7、温度特性

注：由于探头上一般存在10～20pF的电容，所以观测时，适当减小在OSCO管脚的电容可以获得更接近实际的振荡波形。工作良好的振荡波形应该是一个漂亮的正弦波，峰峰值应该大于电源电压的70%。若峰峰值小于70%，可适当减小OSCI及OSCO管脚上的外接负载电容。反之，若峰峰值接近电源电压且振荡波形发生畸变，则可适当增加负载电容

四、晶体选型

1、选择晶体首先要根据需要，选择合适的频率、精度、封装。

2、粗略计算一下增益裕量，是否能够满足起振

3、看一下功率是否会超标，如果超标要加入REXT电阻，而且要重新计算增益裕量

五、晶体PCB的设计

1、走线尽量短

2、有的人晶体下层挖空，这个我没去验证，我一般就是晶体本层下方挖空，下层铺地，相临层不走线。

3、不同的方法，如下图