硅振蕩器是滿足大多數(shù)微控制器(μC)時鐘需求的簡單而有效的解決方案.與基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器不同,硅基定時器件對振動,沖擊和電磁干擾(EMI)效應(yīng)相對不敏感.此外,硅振蕩器不需要仔細(xì)匹配定時組件或電路板布局.
除了應(yīng)用中的任何環(huán)境因素外,時鐘源的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常取決于四個基本參數(shù)：精度,電源電壓,尺寸和噪聲.準(zhǔn)確度要求通常由為應(yīng)用程序定義的通信標(biāo)準(zhǔn)確定.例如,高速USB要求總時鐘精度為±0.25％.相比之下,沒有外部通信的系統(tǒng)可以很好地運行,時鐘源精度為5％,10％甚至20％.
硅振蕩器與晶體或陶瓷諧振器的比較
微控制器時鐘電源電壓通常為1V至5.5V.硅振蕩器的電源電壓通常為2.4V至5.5V.
時鐘噪聲受許多來源的影響,包括放大器噪聲,電源噪聲,電路板布局以及振蕩元件的固有噪聲抑制(或“Q”)特性.憑借其高Q值,晶體通常產(chǎn)生噪聲最低的振蕩器電路,使其特別適用于需要低基帶噪聲的系統(tǒng),如音頻編解碼器.
然而,硅振蕩器通常占據(jù)最小的空間并且不需要額外的定時組件.通常,電源旁路電容是大多數(shù)硅振蕩器所需的唯一外部元件.
皮爾斯振蕩器
基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器通常被實現(xiàn)為皮爾斯振蕩器,其中晶體或石英晶振用作反相放大器的反饋中的調(diào)諧元件.為了在這種設(shè)計中穩(wěn)定工作,相移補償和增益控制由附加電容器和電阻器提供.此外,電阻器提供防止過驅(qū)動所需的阻尼,這可能永久地?fù)p壞晶體或諧振器.
圖1顯示了兩個皮爾斯振蕩器示例.圖1a是使用外部電容和電阻的典型晶體振蕩器電路.圖1b顯示了使用三端陶瓷諧振器的Pierce振蕩器,該諧振器集成了補償電容.每種設(shè)計的元件值取決于工作頻率,電源電壓,逆變器類型,元件類型(晶體或諧振器)和制造商.
圖1.晶體和三端陶瓷諧振器皮爾斯振蕩器.
最常見的Pierce振蕩器實現(xiàn)使用CMOS反相器門作為放大器.盡管通常不如基于晶體管的振蕩器穩(wěn)定且具有更高的功耗,但基于CMOS逆變器的設(shè)計在一系列條件下是簡單且可用的.雖然緩沖和非緩沖逆變器都可用于放大器元件,但無緩沖逆變器是首選,因為它們可產(chǎn)生更穩(wěn)定的石英晶體振蕩器,盡管功耗增加.無緩沖柵極沒有強輸出級,必須由標(biāo)準(zhǔn)逆變器緩沖,以驅(qū)動長電路板走線.
硅振蕩器的優(yōu)點
最簡單的時鐘源由獨立的振蕩器器件提供,例如硅振蕩器.這些器件產(chǎn)生指定頻率的方波,直接應(yīng)用于μC時鐘輸入.硅振蕩器不依賴于機械諧振特性來得出振蕩頻率;他們使用內(nèi)部RC時間常數(shù).這種設(shè)計使得基于硅的器件相對不受外部機械影響.此外,缺少暴露的高阻抗節(jié)點,例如傳統(tǒng)振蕩器中的節(jié)點,使得硅振蕩器更能容忍濕度和EMI效應(yīng).
取代硅振蕩器
當(dāng)用硅振蕩器代替晶體或陶瓷諧振器器件時,首先丟棄與振蕩器電路相關(guān)的任何元件.這通常涉及去除一個或兩個電阻器和兩個電容器(如果它們不包括在諧振器封裝中).然后可以將振蕩器放置在方便的位置,時鐘輸出連接到μC時鐘輸入(圖4.串聯(lián)電阻最小化EM發(fā)射.OSC1)引腳.振蕩器器件的電源應(yīng)與為μC時鐘輸入電路供電的電源相同.
該設(shè)計的一個例子在圖2和3中示出,其中顯示了MC68HC908μC的振蕩器電路.圖2顯示了三端陶瓷諧振器的推薦電路.圖3顯示了使用硅振蕩器的電路,在這種情況下,MAX7375采用SC70封裝,尺寸僅為2.0mmx2.1mm,包括引腳.
圖2.MC68HC908μC帶有一個小型三端諧振器振蕩器.
圖3.使用MAX7375硅振蕩器的MC68HC908μC.
圖4.串聯(lián)電阻最小化EM發(fā)射
硅振蕩器的板放置通常并不重要,因為這些晶振器件輸出低阻抗方波,可以在合理的距離上傳輸,而不必?fù)?dān)心來自其他信號的干擾.硅振蕩器還將驅(qū)動多個時鐘目標(biāo).與任何高速信號一樣,時鐘輸出在驅(qū)動長跡線長度時會產(chǎn)生電磁輻射.通過將電阻與每個時鐘信號串聯(lián)并與時鐘發(fā)生器引腳相鄰,可以最大限度地減少這些發(fā)射.圖4給出了這種方法,該圖顯示了MAX7375驅(qū)動兩個時鐘目標(biāo),每個目標(biāo)電阻與每個目標(biāo)電阻相對應(yīng).
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