晶振电路

晶振电路

晶振电路概述

•·晶振电路的定义

•·晶振电路的原理

•·晶振电路的作用

•·晶振电路的分类

•·晶振电路中常见问题

晶振电路的应用

•·用于RTC的32.768kHz晶振电...

•·AVR晶振电路的设计

•·PIC单片机晶振设计

晶振电路的定义

晶振是晶体振荡器的简称,在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振,较高的频率是并联谐振.由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路.这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化.

晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等的并联电容,就可以得到晶振标称的谐振频率.

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振,再有两个电容分别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容,请注意一般IC的引脚都有等效输入电容,这个不能忽略.

一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ,如果再考虑元件引脚的等效输入电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择.

晶振电路的作用

2、温补晶振(TCXO):是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿,以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器.一

般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络.补偿后频率稳定度在10-7~10-6量级,由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点,因而获行了广泛应用.

3、恒温晶振(OCXO):采用精密控温,使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上.中精度产品频率稳定度为10-7~10-8,高精度产品频率稳定度在10-9量级以上.主要用作频率源或标准信号.

4、压控晶振(VCXO):是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器,主要用于锁相环路或频率微调.压控晶振的

频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合.

晶振电路中常见问题

引言

在很多数字集成电路中都要用到实时时钟( RTC, Real Time Clock ) , 而确保RTC工作计时准确的关键部分就是32 .756k Hz 的晶体振荡器电路. 本文介绍了集成32.768KHZ晶体振荡电路的设计方法及注意事项, 并用Matlab验证了理论分析, 用Cadence Spectre 仿真了电路.

1 电路结构

如图1 所示是晶振的整体电路.R1为反相器invl提供偏置,使其中的MOS管工作在饱和区以获得较大的增益;C1,C2和杂散电容一起构成晶体的电容负载, 同时它们和反相器invl一起可以等效为一负阻, 为晶体提供其振荡所需要的能量; R2用来降低对晶体的驱动能量, 以防止晶体振坏或出现异常; 反相器inv2对invl的输出波形整形并驱动负载.

图2 所示为晶体的等效电路,Cp是晶体两个引脚间的电容, 对于不同的晶体, 其值在2~ 5pf之间; Rs是晶体的等效串连电阻, 其值表示晶体的损失;Cs和Ls分别为晶体的等效串连电容和电感, 这两个值决定了晶体的振荡频率.

2 电路原理分析

图1 所示的晶振电路如果满足巴克豪林准则就可以振荡. 从负阻的角度来分析电路的工作原理.提供负阻的电路如图3(a)所示, 由反相放大器和晶体两端的负载电容构成.

M1可以替代图1中的invl,忽略沟道长度调制效应、体效应和晶体管的寄生电容. M1的漏电流等于(-I=/C1s)gm ,所以

因此

对于S=jw加, 此阻抗由一个等于-gm/(ClCZw2)的负电阻串连C1 和C2组成(图3(b))

如图4 所示, 将晶体和放大器的偏置电阻置于M1 的栅漏两端就构成了前面所述的晶振电路,它可以等效为右边的串连谐振电路, 如果要维持电路振荡,必须保证Zc的实部也就是负阻部分的︱Rosc︱≥Rso其中

这就对反相放大器的gm的大小提出了要求. 分析了gm,的极大值和极小值, gm只有取中间值, 得到的等效负阻的绝对值才大于晶体的串联电阻, 才能够维持晶体的振荡.

设计反相器时, 对gm的取值应该加以注意. 尤其是对32.768KHZ的晶振, 由于其Rs值很大,gm设置不当很容易导致晶体不振荡. 在设置了合适的电路参数值的情况下, 使用Matlab画出(3)式中Zc相对于gm的轨迹图,如图5所示,横轴是Zc的实部( 电阻部分),纵轴是Zc的虚部(电容部分). 这里使用晶体Rs最大值为50kΩ.图中竖线对应实轴上的值为50kΩ,也就是说电路可以振荡时gm必须落在竖线左边的半圆上. 竖线与半圆的两个交点分别是gm的最大值和最小值.

3 电路设计及仿真

实际电路按照图1搭建,除了晶体和C1 ,C2的固定部分之外的其它元器件都被集成在电路内部, 器件模型选用的0.25um模型.在设置电路参数时有几点是必须注意的.

前面已经用Matlab计算出了gm的最大和最小值是分别如图5所示的14.5uS和0.7uS,电路中反相器的gm值必须在这两个值之间才能保证正常振荡. 因此MOS管选取了较小的宽长比以达到gm的要求.通过CadenceSpectre进行电路仿真得到的gm在各个corner下从6.3us到3.2u.s之间,满足要求.

偏置电阻R,使反相器invl工作在线性放大区,这样才能使反相器具有大的增益并使其振荡在确定频率.R1的推荐值是10到25MΩ之间.随着R1的增大,反相器的增益随之增大,使振荡器更快的起振并可以在较低的电源电压下维持振荡.

R2的作用是增加反相器的输出电阻并限制驱动晶振的电流的大小.R2的值必须足够大以防止晶振被过驱动而导致晶体损

坏,32.768KHZ晶体的驱动功率最大值是1uW. 对于32.768KHZ的晶振,R2的值在200到300kΩ左右.

，CL是晶振的负载电容,晶振在使用时对其负载电容是有要求的,以保证晶振在正确的频率下振荡.32.768KHZ的晶振一般要求载电容为6pf或12.5pf,在实际应用中需要对电容进行调节使晶振获得准确的振荡频率. 在本文设计的电路中Cl(或C2) 包括两部分的电容,一部分是片外电容。

另一部分使用片内集成的可调节的电容阵列,如图6所示,用四个MOS开关控制可变电容从0 到15pf变化,依次递增1pf.这样就可以直接通过控制字调节晶体负载电容的大小,以使晶体准确振荡在32.768KHZ.