自推出以來32.768K微型手表水晶已經成為有史以來受歡迎的計時基準.該篇文章主要講的內容是為石英晶振在計時應用中的使用提供一些指導.

出于方便和成本的考慮,在幾乎所有情況下,設計者都希望在此應用中使用簡單的邏輯門振蕩器.通常應用于這類設計的標準是,它應該準確,低成本和低功耗.使用手表晶體和CMOS邏輯可以滿足所有這些標準.

在CMOS石英晶體振蕩器電路中,功耗隨著頻率的增加而增加,因此將工作頻率降至最低是有意義的;這就是選擇32.768kHz的原因.降低CMOS電路功耗的第二種方法是減小任何被驅動負載的尺寸.部分是因為這個原因,手表晶體被設計成通常在12.5pF負載下工作,而不是更常見的20pF或30pF負載.這也與:(a)除非使用低晶體負載電容,否則所使用的CMOS類型在手表中使用的低電壓下會耗盡蒸汽；(b)保持石英晶振驅動電平低,同時保持足夠的逆變器輸入電壓,以及(c)允許使用非常小的微調電容器,同時仍然提供必要的微調范圍.

CMOS反相器振蕩器的基本要求可以通過單個門和少數其他部件來提供偏置和反饋.圖1顯示了這種類型的典型電路.石英晶體看到的負載電容是Cout和Cin以及包括邏輯門輸入和輸出引腳電容在內的任何電路串的串聯組合.圖1中使用的分量值工作良好,并與Saunders140晶體阻抗儀測量的測試結果有很好的相關性.呈現給晶體的表觀負載電容為:

Cout=柵極輸出電容器Cin=柵極輸入電容器

圖1

這給出了6.9pF負載的數字.這遠低于12.5pF的要求值,但是邏輯門的輸入和輸出引腳都有相當大的負載.這些額外的值需要添加到6.9pF.這些負載石英晶振通常在每個引腳3pF到4pF的數量級,但最高可達10pF,還將取決于所使用的邏輯系列.這些額外的負載加上電路中的任何雜散電容總和應該達到大約12.5pF

如果需要可微調振蕩器,22pF輸出電容可以由固定的10pF電容代替,并與2pF至22pF微調器并聯.為了獲得最佳結果,NPO,COG或類似的低溫系數介電電容器應該用于獲得最佳穩定性.

對石英晶體振蕩器的一個經常表達的要求是嚴格的公差,實際上經常是在沒有為修剪器做準備的布局中.除了電容器容差的影響之外,必須意識到,因為它們的值很低,IC的可變阻抗會導致不確定的相移,從而導致振蕩頻率.因此,強烈建議使用修剪器,如果精度高于50ppm,不管實際晶體公差如何.

另一個重要的影響是由于溫度變化.手表晶體和其他低于1兆赫茲的類似類型具有拋物線頻率-溫度特性,并有設計周轉

圖2

溫度為25℃(見圖3).翻轉溫度和拋物線曲率常數的公差,通常分別為3°C和0.038ppm/C2,意味著只能在有限的溫度范圍內保持緊密的公差.當然,這在手表中沒有什么影響,因為在使用中,它保持接近貼片晶振的翻轉溫度,但是如果希望工作溫度范圍大于0-50℃,這種類型的晶體的選擇會比AT切割裝置成本低.

圖3

4.194304mHz(32.768kHz×27)AT切割晶振的類似電路如圖2C3和C4所示,旨在促進在標準時鐘晶體負載12pF下校準的晶體的精確頻率微調.如果不需要微調,或者用18pF或22pF固定單元替換這些電容器(選擇最接近標稱頻率的振蕩值),或者完全省略它們,并指定在30pF負載下校準的晶體.

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