硅振蕩器是滿足大多數微控制器(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)效應相對不敏感.此外,硅振蕩器不需要仔細匹配定時組件或電路板布局.

除了應用中的任何環境因素外,時鐘源的選擇標準通常取決于四個基本參數：精度,電源電壓,尺寸和噪聲.準確度要求通常由為應用程序定義的通信標準確定.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,如音頻編解碼器.

然而,硅振蕩器通常占據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諧元件.為了在這種設計中穩定工作,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動所需的阻尼,這可能永久地損壞晶體或諧振器.

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定且具有更高的功耗,但基于CMOS逆變器的設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,因為它們可產生更穩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,必須由標準逆變器緩沖,以驅動長電路板走線.

硅振蕩器的優點

最簡單的時鐘源由獨立的振蕩器器件提供,例如硅振蕩器.這些器件產生指定頻率的方波,直接應用于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;他們使用內部RC時間常數.這種設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點,例如傳統振蕩器中的節點,使得硅振蕩器更能容忍濕度和EMI效應.

取代硅振蕩器

當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.串聯電阻最小化EM發射.OSC1)引腳.振蕩器器件的電源應與為μC時鐘輸入電路供電的電源相同.

該設計的一個例子在圖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.串聯電阻最小化EM發射

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,而不必擔心來自其他信號的干擾.硅振蕩器還將驅動多個時鐘目標.與任何高速信號一樣,時鐘輸出在驅動長跡線長度時會產生電磁輻射.通過將電阻與每個時鐘信號串聯并與時鐘發生器引腳相鄰,可以最大限度地減少這些發射.圖4給出了這種方法,該圖顯示了MAX7375驅動兩個時鐘目標,每個目標電阻與每個目標電阻相對應.

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