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硅振荡器与晶体和陶瓷谐振器的对比及应用今期

发布时间:2019-10-09

  件对于振动、冲击和电磁干扰EMI不敏感。此外,硅振荡器不需要精心匹配定时元件或严格的电路板布线。

  在实际应用中,除了一些环境因素外,时钟源的选择标准通常依据四个基本条件:精度、供电电压、尺寸和噪声。精度需求通常取决于特定应用所采用的通信标准。例如,高速USB需要±0.25%的总体时钟精度。相比之下,无需外部通信的系统可能只需5%、10%、甚至20%的时钟源精度便能很好地工作。

  微控制器时钟的供电电压典型范围是1V至5.5V,而硅振荡器典型的供电电压范围为2.4V至5.5V。

  时钟噪声受许多因素的影响,包括放大器的噪声、电源噪声、线路板布线、以及振荡元件固有的噪声抑制特性等(或品质因数“Q”)。今期东方心经马报图晶体的Q值很高,一般而言产生的噪声最小,特别适合用于要求低基带噪声的系统中,例如音频CODEC。

  然而,硅振荡器占据的空间最小,而且不需要附加的定时元件。对于大多数硅振荡器来说,所需的外部元件通常只有一个电源旁路电容。

  晶体和陶瓷谐振器大多被用在皮尔斯振荡器中,其中晶体或谐振器作为调谐元件用在反相放大器的反馈中。为了使电路稳定,需要另加电容和电阻来进行相移补偿和增益控制。此外,还须用电阻提供一定的阻尼,以防过驱动造成晶体或谐振器永久损坏。

  图1给出了两个皮尔斯振荡器的实例。图1a是一个典型的晶体振荡电路,使用外部电容和电阻。图1b则是一个基于三端陶瓷谐振器的皮尔斯振荡器,陶瓷谐振器中集成了补偿电容。这些设计中的每一个元件的值与工作频率、供电电压、反相器的类型、元件类型(晶体或谐振器)以及制造商有关。

  皮尔斯振荡器最常见的实现方法是用一个CMOS非门做为放大器。虽然这种方案的稳定性和功耗性能通常比不上基于晶体管的振荡器,但是,基于CMOS反相器的电路比较简单,而且在许多情况下非常实用。带缓冲和无缓冲反相器都能用于放大元件,其中首选无缓冲的反相器,因为它们工作得更稳定,虽然也伴随着功耗的增加。无缓冲门没有强大的输出级,所以要驱动电路板上的长走线时必须使用标准反相器加以缓冲。

  硅振荡器,这种完全集成的振荡元件是最简单的时钟源。这些器件可产生规定频率的方波,可直接送入微控制器(µC)的时钟输入。硅振荡器并不依赖于机械共振特性来获得振荡频率,而是基于一个内部的RC时间常数。这样的设计使硅器件对于外部机械作用不敏感。而且,与传统振荡器不同的是,没有裸露在外的高阻抗节点,这样使硅振荡器可以承受更大的湿度和EMI影响。

  如果用硅振荡器代替晶体或陶瓷谐振器,首先可以去掉和振荡电路相关的所有元件。这通常包括一到两个电阻和两个电容(如果它们未被包含在谐振器封装内)。振荡器可以安装在适当的位置,然后将其时钟输出引到微控制器(µC)时钟输入(OSC1)引脚。振荡器的电源应该来自于驱动µC时钟输入电路的电源。

  图2和图3给出了这种设计的一个实例,其中显示的是用于MC68HC908µC的振荡电路。图2为推荐电路,三端陶瓷谐振器。

  图3为采用硅振荡器的电路,本例采用MAX7375,SC70封装,包括引脚在内的外形尺寸仅为2.0mmx2.1mm。

  硅振荡器在电路板上的布局通常没有很高的要求,因为这种器件输出的是低阻抗方波,它能够在电路板上传送足够的距离,且无须顾虑其他信号对它的干扰。硅振荡器能够驱动多个器件。和任何其他高速信号一样,硅振荡器的时钟输出在驱动长导线时会产生电磁辐射。靠近时钟发生器的引脚,在每路时钟信号上串连一个电阻可以降低这种辐射。如图4所示,MAX7375驱动两路时钟电路时,每条时钟线上都串入了一个电阻。

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