无源的石英晶体谐振器由于本身不带电压,需要外部接电源才可以振荡,因此无源晶振的电路与有源晶振的不一样。石英晶体的成本低而且应用的范围更广泛,石英晶体振荡器稳定性更高,更可靠,应用到产品身上可以发挥最优良的效果,但是价格普遍比较高。根据不同的特性和规格,无源晶振的电路也并不是完全相同的,接下来是CEOB2B晶振平台为大家提供的有关无源晶振电路的相关资料。
石英晶体的压电效应:若在石英晶体谐振器的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。注意,这种效应是可逆的。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
电容三点式振荡器:
晶振电路
晶体振荡电路就是利用晶振以及电容、电阻构成选频网络,配合IC器件内部的放大电路构成自激振荡,从而产生所需要频率的时钟信号。此时晶振可以等效为电感,晶振电路等效为电容三点式振荡电路。
对于外接电容容值得选择:
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外接电容,就可以得到晶振标称的谐振频率。外接电容与晶振一起构成精确的选频网络,或许有人会疑惑,为什么我选用不同的外接电容,电路依然是工作的,那是因为晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其它原件的参数变化,这个石英晶体振荡器的频率也不会变化很大,最好是采用与晶振负载电容相等的外接电容,以保证晶振电路输出频率的精度。为了准确掌握晶振电路中该用多大的电容,只要把握晶体负载电容loadC
应等于振荡回路中的电容2 Exter C+杂散电容icC(IC的输入电容和PCB上的等效电容)就可以了。
在电路设计中,我发现石英晶振时常会并联一个电阻,有人使用1M?,也有使用10M?,也有不用该电阻的,该电阻到底有何作用?
该电阻是一个反馈电阻,与负载电容为反馈信号提供180度的相移,因为芯片内部的放大器是反相放大,为信号提供了一个180度的相移,只有通过负载电容和并联电阻提供的180度相移后,整个环路的相移才为360,从而满足振荡的相位条件。同时该电阻起到限流的作用,防止运放输出对SMD晶振过驱动,损坏晶振,这也是该并联电阻一般都在M量级的原因,大电阻还有一个作用就是为运放提供高增益,加快起振速度。由于晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,所以该电阻的大小变化,不会引起晶振输出频率的改变。对于那些没有使用该电阻的,是因为有些IC器件会把该电阻集成到芯片里面。
在I.MX6中,OSC32K特性如下:
由上表可知,芯片内部已经集成了14M的电阻,无需再外加电阻,外加电阻反而降低了运放的放大倍数,降低了起振速度。
I.MX6的24M晶振在并联电容上并联的2.2M的电阻,该电阻是用来解决24M晶振起振慢的问题。
在FSL Kinetis64MCU中,晶振的连接方式如下所示(Reference Manual P618)
不理解是的RTC晶振还有3~32M的吗?晶振的低压模式,高增益模式是什么意思?
以上提到的都是无源晶振在设计中的注意事项,还有一种晶振叫做有源晶振,也会被经常使用在电路设计中。有源晶振和无源晶振都是为电路提供稳定的时钟信号,那它们有哪些区别呢?
1.无源晶振是2个引脚的无源石英晶体,需要借助于芯片内部的运算放大器才能产生振荡信号,自身无法振荡起来;而有源晶振是4个引脚的有源器件,需要额外给晶振提供工作电压,自身是一个完整的振荡器,无需借助IC器件。
2.无源晶振需要配合一些电阻、电容才能起振;有源晶振将这些分立元件都集成在晶振内部,无需外接器件即可完成起振。
3.压电石英晶体谐振器没有电压问题,可用于多种不同电平要求的时钟信号,价格便宜;有源晶振的时钟电平是固定的,灵活性较差,而且价格要比无源晶振高。
4.音叉晶振需要精确匹配外围器件,才能得到较为准确的时钟信号,精确度低,稳定性差;有源晶振集成度高,不易受外界干扰,信号质量好,比较稳定。