晶振基本資料及PCB布局設計指導
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2019年08月20
我們都知道石英晶振大致可以分為兩大類,分別是MHz和KHz,一般來說MHz頻率范圍比KHz要高,而且范圍更廣泛,KHz的范圍雖然從32KHz~100KHz都有,但范圍小不說,市場上和用戶應用都是以32.768KHz這個頻點為主.因此使用KHz和MHz時,PCB板的布局和設計也會稍稍的不同,二者之間的參數,電氣特性,特征也會有一些差別.下面金洛鑫介紹一些晶振的基本資料,以及MHz和KHz的PCB板設計注意事項.
晶振利用振動壓電材料的機械諧振來產生非常穩定的時鐘信號.通常借助頻率提供穩定的時鐘信號或跟蹤時間;因此,晶振廣泛用于RF和數字電路.晶振可由不同供應商提供,形狀和尺寸也不盡相同,在性能和規格方面有很大差異.為在溫度、濕度、電源和工藝發生變化時使穩健的應用保持穩定,了解各個參數和貼片振蕩器電路至關重要.所有物理對象都具有固有的振動頻率,振動頻率由其形狀、大小、彈性和材料中的聲速決定.壓電材料在施加電場時會變形,在恢復到其原始形狀時會產生電場.電子電路中最常用的壓電材料是石英晶振,但也使用陶瓷諧振器—通常用于低成本或非時序關鍵型應用.32.768KHz晶振通常被切割成音叉形狀,可以形成非常精確的頻率.
振蕩器
巴克豪森穩定性準則是用于確定電子電路何時振蕩的兩個條件.其中規定,如果A是電路中放大元件的增益,β(jω)是反饋路徑的傳遞函數,則電路將僅在符合以下條件的頻率下維持穩態振蕩:
環路增益的絕對值等于單位增益,即|βA|=1
環路的相移為0或2π的整數倍,即∠βA=2πn,n∈0、1、2、3...
第一條準則將確保恒定幅值信號.小于1的數會將信號衰減到0,大于1的數會將信號放大到無窮大.第二條準則將確保晶振穩定的頻率.對于其他相移值,正弦波輸出將因反饋環而被抵消.
Microchip AVR單片機中的32.768kHz振蕩器如圖1-3所示,它由反相放大器(內部)和晶振(外部)組成.大多數AVR單片機都具有內部容性負載(CL1和CL2),因此通常不需要外部電容.但在某些情況下,必須添加外部負載以滿足晶振規范.某些AVR單片機可選擇應使用CKOPT熔絲連接還是斷開內部電容.反相放大器將提供一個π弧度(180度)相移,剩下的π弧度相移將由Quartz Crystal和容性負載(頻率為32.768KHz)提供,得到的總相移為2π弧度.在起振期間,放大器輸出將增大,直到建立環路增益為1的穩態振蕩,即滿足巴克豪森準則.此過程由AVR單片機振蕩器電路自動控制.
電氣模型
晶振的等效電路如圖1-4所示.串聯RLC網絡稱為動態臂,給出了晶振機械行為的電氣描述,其中C1表示石英的彈性,L1表示振動質量,R1表示由于阻尼造成的損失.C0稱為并聯電容或靜態電容,是晶振外殼和電極引起的電寄生電容的總和.如果使用電容表測量晶振電容,則只測量C0(C1無作用).
通過使用拉普拉斯變換,可以在該網絡中找到兩個諧振頻率.串聯諧振頻率fs僅取決于C1和L1,并聯或抗諧振頻率fp則還取決于C0.電抗與頻率特性如圖1-5所示.
公式1-1.串聯諧振頻率
公式1-2.并聯諧振頻率
低于30MHz的晶振可工作在串聯和并聯諧振頻率之間的任何頻率下,即,其在工作時處于感性狀態.30MHz以上的高頻貼片晶振通常工作在串聯諧振頻率或泛音頻率下,泛音頻率出現在基頻的倍數處.向晶振添加容性負載CL將導致頻率偏移公式1-3中的值.晶振頻率可通過改變負載電容來調節,這稱為頻率牽引.
公式1-3.偏移的并聯諧振頻率
等效串聯電阻
等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance,ESR)是機械損耗的電氣表示,在串聯諧振頻率fs下,它等于電氣模型中的R1.ESR是一個非常重要的參數,在晶振數據手冊中提供.ESR通常取決于晶振的物理尺寸,小晶振(特別是小型SMD晶振)的損耗和ESR值通常高于大晶振.ESR值越高,反相放大器的負載就越高,而ESR過高可能會導致振蕩器運行不穩定.無法實現單位增益,也無法滿足巴克豪森準則.
Q因數和穩定性
晶振的頻率穩定性通過Q因數來衡量.Q因數是存儲在晶振中的能量與所有能量損耗之和的比值.通常,石英晶振的Q值范圍為10,000至100,000,而LC振蕩器的Q值可能為100.陶瓷諧振器的Q值低于石英晶振,對容性負載更敏感(牽引能力更高).
公式1-4.Q因數
以下幾個因素會影響頻率穩定性:由安裝、沖擊或振動應力引起的機械應力、電源變化、負載阻抗變化、溫度變化、磁場變化、電場變化以及晶振老化都可能產生影響.晶振供應商通常會在其數據手冊中列出這些參數.
起振時間
在起振期間,噪聲將在反相放大器中放大.晶振將充當帶通濾波器并且僅反饋將被放大的晶振諧振頻率分量.在實現穩態振蕩之前,晶振/反相放大器環路的環路增益大于1,信號幅值將增大.達到穩態時,環路增益將滿足巴克豪森準則,環路增益為1,幅值恒定.
影響起振時間的因素:
•高ESR晶振的起振速度慢于低ESR晶振
高Q因數晶振的起振速度慢于低Q因數晶振
高負載電容會增加起振時間
振蕩器放大器驅動能力(有關振蕩器裕度的更多詳細信息,請參見第3.2節負電阻測試和安全系數).此外,晶振頻率也會影響起振時間(晶振頻率越高,起振就越快),但對于32.768kHz晶振,此參數固定.
溫度容差
典型的32.768K通常被切割成使標稱頻率集中于25°C.高于和低于25°C時,頻率都將因拋物線特性而降低,如圖1-7所示.頻移由公式1-5得出,其中f0為T0時的目標頻率(25°C時通常為32.768KHz),PPM為晶振數據手冊提供的溫度容差系數.
公式1-5.溫度變化的影響
PCB布線和設計注意事項布線和設計注意事項
如果不謹慎考慮PCB布線和裝配過程中使用的材料,即使是性能最佳的振蕩器電路和高質量晶振也不會表現出良好性能.超低功耗32.768K石英振蕩子的功耗通常遠低于1μW,因此流入電路中的電流非常小.此外,晶振頻率高度依賴于容性負載.為提高振蕩器的穩健性,我們建議在PCB布線期間遵循以下準則:
•從XTAL1/TOSC1和XTAL2/TOSC2連接到晶振的信號線應盡可能短,以減小寄生電容并提高抗噪性和抗串擾性.應避免使用任何類型的插座.
•在晶振和信號線的周圍放置地平面和保護環,對其進行屏蔽.
•避免在晶振線附近布數字線(特別是時鐘線).對于多層PCB板,避免在晶振線下方布信號線.
•使用高質量PCB和焊接材料.
•灰塵和濕度會增加寄生電容并減弱信號隔離,因此建議使用保護涂層.
晶振利用振動壓電材料的機械諧振來產生非常穩定的時鐘信號.通常借助頻率提供穩定的時鐘信號或跟蹤時間;因此,晶振廣泛用于RF和數字電路.晶振可由不同供應商提供,形狀和尺寸也不盡相同,在性能和規格方面有很大差異.為在溫度、濕度、電源和工藝發生變化時使穩健的應用保持穩定,了解各個參數和貼片振蕩器電路至關重要.所有物理對象都具有固有的振動頻率,振動頻率由其形狀、大小、彈性和材料中的聲速決定.壓電材料在施加電場時會變形,在恢復到其原始形狀時會產生電場.電子電路中最常用的壓電材料是石英晶振,但也使用陶瓷諧振器—通常用于低成本或非時序關鍵型應用.32.768KHz晶振通常被切割成音叉形狀,可以形成非常精確的頻率.
圖1-1.32.768kHz音叉晶振的形狀
巴克豪森穩定性準則是用于確定電子電路何時振蕩的兩個條件.其中規定,如果A是電路中放大元件的增益,β(jω)是反饋路徑的傳遞函數,則電路將僅在符合以下條件的頻率下維持穩態振蕩:
環路增益的絕對值等于單位增益,即|βA|=1
環路的相移為0或2π的整數倍,即∠βA=2πn,n∈0、1、2、3...
第一條準則將確保恒定幅值信號.小于1的數會將信號衰減到0,大于1的數會將信號放大到無窮大.第二條準則將確保晶振穩定的頻率.對于其他相移值,正弦波輸出將因反饋環而被抵消.
圖1-2.反饋環
圖1-3.AVR器件中的皮爾斯晶振電路(簡化電路)
晶振的等效電路如圖1-4所示.串聯RLC網絡稱為動態臂,給出了晶振機械行為的電氣描述,其中C1表示石英的彈性,L1表示振動質量,R1表示由于阻尼造成的損失.C0稱為并聯電容或靜態電容,是晶振外殼和電極引起的電寄生電容的總和.如果使用電容表測量晶振電容,則只測量C0(C1無作用).
圖1-4.晶振等效電路
公式1-1.串聯諧振頻率
公式1-2.并聯諧振頻率
圖1-5.晶振電抗特性
公式1-3.偏移的并聯諧振頻率
等效串聯電阻
等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance,ESR)是機械損耗的電氣表示,在串聯諧振頻率fs下,它等于電氣模型中的R1.ESR是一個非常重要的參數,在晶振數據手冊中提供.ESR通常取決于晶振的物理尺寸,小晶振(特別是小型SMD晶振)的損耗和ESR值通常高于大晶振.ESR值越高,反相放大器的負載就越高,而ESR過高可能會導致振蕩器運行不穩定.無法實現單位增益,也無法滿足巴克豪森準則.
Q因數和穩定性
晶振的頻率穩定性通過Q因數來衡量.Q因數是存儲在晶振中的能量與所有能量損耗之和的比值.通常,石英晶振的Q值范圍為10,000至100,000,而LC振蕩器的Q值可能為100.陶瓷諧振器的Q值低于石英晶振,對容性負載更敏感(牽引能力更高).
公式1-4.Q因數
以下幾個因素會影響頻率穩定性:由安裝、沖擊或振動應力引起的機械應力、電源變化、負載阻抗變化、溫度變化、磁場變化、電場變化以及晶振老化都可能產生影響.晶振供應商通常會在其數據手冊中列出這些參數.
起振時間
在起振期間,噪聲將在反相放大器中放大.晶振將充當帶通濾波器并且僅反饋將被放大的晶振諧振頻率分量.在實現穩態振蕩之前,晶振/反相放大器環路的環路增益大于1,信號幅值將增大.達到穩態時,環路增益將滿足巴克豪森準則,環路增益為1,幅值恒定.
影響起振時間的因素:
•高ESR晶振的起振速度慢于低ESR晶振
高Q因數晶振的起振速度慢于低Q因數晶振
高負載電容會增加起振時間
振蕩器放大器驅動能力(有關振蕩器裕度的更多詳細信息,請參見第3.2節負電阻測試和安全系數).此外,晶振頻率也會影響起振時間(晶振頻率越高,起振就越快),但對于32.768kHz晶振,此參數固定.
圖1-6.晶振的起振信號
典型的32.768K通常被切割成使標稱頻率集中于25°C.高于和低于25°C時,頻率都將因拋物線特性而降低,如圖1-7所示.頻移由公式1-5得出,其中f0為T0時的目標頻率(25°C時通常為32.768KHz),PPM為晶振數據手冊提供的溫度容差系數.
公式1-5.溫度變化的影響
圖1-7.典型溫度與晶振頻率特性
如果不謹慎考慮PCB布線和裝配過程中使用的材料,即使是性能最佳的振蕩器電路和高質量晶振也不會表現出良好性能.超低功耗32.768K石英振蕩子的功耗通常遠低于1μW,因此流入電路中的電流非常小.此外,晶振頻率高度依賴于容性負載.為提高振蕩器的穩健性,我們建議在PCB布線期間遵循以下準則:
•從XTAL1/TOSC1和XTAL2/TOSC2連接到晶振的信號線應盡可能短,以減小寄生電容并提高抗噪性和抗串擾性.應避免使用任何類型的插座.
•在晶振和信號線的周圍放置地平面和保護環,對其進行屏蔽.
•避免在晶振線附近布數字線(特別是時鐘線).對于多層PCB板,避免在晶振線下方布信號線.
•使用高質量PCB和焊接材料.
•灰塵和濕度會增加寄生電容并減弱信號隔離,因此建議使用保護涂層.
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