• Pierce振荡器设计


    一、Pierce振荡器电路

    Inv:内部反相器,作用等同于放大器;

    Q:石英晶体或陶瓷晶振;

    RF:内部反馈电阻(使反相器工作在线性区);

    RExt:外部限流电阻(防止石英晶体被过分驱动);

    CL1、CL2:外部负载电容;

    Cs:杂散电容;

     

    二、负载电容CL

      CL值取决于外部电容CL1和CL2,及电路板上的杂散电容Cs。晶振制造商会给出CL值,为了保证振荡频率精度,需要使标称CL与实际CL尽可能接近。CL表达式如下:

                                                             ——式1

      Cs一般是3~5pF

     

    三、振荡器的增益裕量

      增益裕量是最重要的参数,它决定振荡器是否能够正常起振,其表达式为:

     

                                                              ——式2

      其中:

      a.gm是反相器的跨导,其单位是mA/V(高频)或者是μA/V(低频)——这个需要从微控制器的Datasheet中查找

      b.gmcrit的值取决于晶振本身的参数——要通过晶振给出的数据计算得出

      假定CL1=CL2,并假定晶振的CL与标称一致,则gmcrit表达式如下:

                    ——式3

      ESR指晶振的等效串联电阻。

      为保证晶振可靠起振,增益裕量的最小值一般设为5

     

    四、驱动等级测量

      驱动等级可以由下式计算得出:

                      ——式4

      IQRMS是交流电流的均方根有效值。

      这个电流可以使用小电容(<1pF)分布的示波器探头在放大器的输入端,即OSC_IN引脚,测量电压变化得到。相对于流经CL1的电流,放大器的输入电流可以忽略不计(输入电阻无穷大);因此可以假定经过晶振的电流等于流经CL1的电流。这样在这点上,电压的均方根有效值与电流的均方根有如下关系:

                    ——式5

      其中:

      a.F是晶体的频率

      b.,这里Vpp是在CL1端测量电压的峰-峰值

      c.  (Cprobe是探头的电容量)

      这样,驱动级别可以由下式得出:

                  ——式6

      DL数值超过标称值时,需要添加RExt。同时,DL也不可以远小于标称值。

     

    五、外部电阻RExt计算

      这个电阻的作用是限制晶振的驱动级别,并且它与CL2组成一个低通滤波器,以确保振荡器的起振点在基频上,而不是在其他高次谐波频率上(避免3次、5次、7次谐波频率)。如果晶振的功耗超过晶振制造商的给定值,外部RExt是必须的,避免晶振被过分驱动。如果晶振的功耗小于标称值,不需使用外部电阻。

      对RExt值的预估可以通过考虑由RExt和CL2的电压分压RExt/CL2实现(注意到RExt和CL2构成一个分压/滤波器,考虑通带宽度不小于振荡器频率),则由RExt的值等于CL2的电抗:

                  ——式7

       优化REXt的方法:首先确定CL1、CL2的值,然后用电位器代替RExt,RExt值可设为CL2的电抗值。然后调整电位器的值直到它满足驱动级别的需要,此时电位器的值就是RExt的值

    注意:在计算完RExt的值后,仍然需要重新计算gainmargin的值,以确保RExt对起振没有影响。

                  ——式8

    六、启动时间

      启动时间指振荡器启动并达到稳定所需的时间。这个时间受外部电容CL1、CL2影响,同时它随着晶振的频率的增加而减少,石英晶体的起振时间要比陶瓷晶振的时间要长得多。

     

     

     

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