計(jì)時(shí)模塊32.768K晶振的CMOS電路設(shè)計(jì)
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2019年06月18
在大多數(shù)人印象里32.768K是無源系列的,但隨著時(shí)鐘模塊越來越高端,國外的晶體制造商,早已研發(fā)成功32.768K有源晶振,并且已經(jīng)投入到市場.可以驅(qū)動(dòng)CMOS,LVDS,LV-PECL,正弦波,HCSL等輸出邏輯電路.讓具有穩(wěn)定性的石英晶體振蕩器,時(shí)間和數(shù)字可以更加精準(zhǔn)無誤差,CMOS是最常見的振蕩器輸出邏輯之一,32.768K應(yīng)用到CMOS電路,會有怎樣的效果呢?請看本文的詳細(xì)的解說.
自推出以來,32.768kHz微型手表水晶已成為有史以來最受歡迎的時(shí)間參考.本應(yīng)用筆記旨在為石英晶體諧振器在計(jì)時(shí)應(yīng)用中的使用提供一些指導(dǎo).幾乎在所有情況下,為了方便和成本,設(shè)計(jì)人員都希望在此應(yīng)用中使用簡單的邏輯門振蕩器.通常應(yīng)用于此類設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是它應(yīng)該準(zhǔn)確,成本低且功耗低.使用表晶和CMOS邏輯可以滿足所有這些標(biāo)準(zhǔn).
在CMOS振蕩器電路中,功耗隨頻率而上升,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電路中功耗的第二種方法是減小被驅(qū)動(dòng)的任何負(fù)載的大小.部分由于這個(gè)原因,手表晶體的設(shè)計(jì)通常為12.5pF負(fù)載,而不是通常的20或30pF.它還與以下因素有關(guān):(a)所使用的CMOS類型在手表使用的低電壓下耗盡蒸汽,除非使用低晶振負(fù)載電容;(b)保持晶體驅(qū)動(dòng)電平低,同時(shí)保持足夠的逆變器輸入電壓.(c)允許使用非常小的微調(diào)電容器,同時(shí)仍然提供必要的微調(diào)范圍.
CMOS反相器振蕩器的基本要求可以通過單個(gè)門和少數(shù)其他組件來滿足,以提供偏置和反饋.圖1顯示了這種類型的典型電路.石英晶振看到的負(fù)載電容是Cout和Cin的串聯(lián)組合,以及包括邏輯門輸入和輸出引腳電容的任何電路.圖1中使用的元件值運(yùn)行良好,并與從Saunders140晶體阻抗計(jì)獲得的測量結(jié)果具有良好的相關(guān)性.晶體的表觀負(fù)載電容為:
Cout=柵極輸出電容Cin=柵極輸入電容
這給出了6.9pF負(fù)載的數(shù)字.這遠(yuǎn)低于12.5pF所需的數(shù)值,但邏輯門的輸入和輸出引腳都有明顯的負(fù)載.這些附加值需要添加到6.9pF.這些負(fù)載通常為每引腳3pF至4pF,但最高可達(dá)10pF,并且還取決于所使用的邏輯系列.這些額外的負(fù)載以及電路中的任何雜散電容應(yīng)該總計(jì)大約12.5pF.
如果需要可調(diào)諧石英晶體振蕩器,22pF輸出電容可以用固定的10pF電容代替,與2pF到22pF的調(diào)整器并聯(lián).為獲得最佳效果,應(yīng)使用NPO,COG或類似的低溫系數(shù)介電電容,以獲得最佳穩(wěn)定性.
對此類振蕩器的頻繁表達(dá)的要求是嚴(yán)格的公差,通常確實(shí)在布局中,其中不對修剪器做出規(guī)定.除了電容器容差的影響之外,必須理解的是,由于它們的值較低,可歸因于IC的稍微可變的阻抗將導(dǎo)致稍微不確定的相移,因此導(dǎo)致振蕩頻率.因此,如果要求精度優(yōu)于±50ppm,則無論實(shí)際晶體容差如何,建議使用微調(diào)器.
另一個(gè)重要的影響是由于溫度變化.手表晶體和1MHz以下的其他類似類型具有拋物線頻率-溫度特性和設(shè)計(jì)周轉(zhuǎn)率
溫度為25°C(見圖3).周轉(zhuǎn)溫度和拋物線曲率常數(shù)的公差,通常分別為±3℃和0.038ppm/°C2,意味著可以僅在有限的溫度范圍內(nèi)保持緊公差.當(dāng)然,這在手表中幾乎沒有什么影響,因?yàn)樵谑褂弥兴cQuartz Crystal的周轉(zhuǎn)溫度保持接近,但是如果工作溫度范圍可以使這種晶體的選擇比AT切割單元更具成本效益需要寬于0至50℃.
用于4.194304MHz(32.768kHzx27)AT切割晶體的類似電路如圖2所示.C3和C4旨在促進(jìn)在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘晶體負(fù)載12pF下校準(zhǔn)的石英晶體的精確頻率調(diào)整.如果不需要修整,則用18pF或22pF固定單元替換這些電容器(選擇導(dǎo)致最接近標(biāo)稱頻率的振蕩的值),或者完全省略它們并指定晶體在30pF負(fù)載下進(jìn)行校準(zhǔn).
自推出以來,32.768kHz微型手表水晶已成為有史以來最受歡迎的時(shí)間參考.本應(yīng)用筆記旨在為石英晶體諧振器在計(jì)時(shí)應(yīng)用中的使用提供一些指導(dǎo).幾乎在所有情況下,為了方便和成本,設(shè)計(jì)人員都希望在此應(yīng)用中使用簡單的邏輯門振蕩器.通常應(yīng)用于此類設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是它應(yīng)該準(zhǔn)確,成本低且功耗低.使用表晶和CMOS邏輯可以滿足所有這些標(biāo)準(zhǔn).
Cout=柵極輸出電容Cin=柵極輸入電容
這給出了6.9pF負(fù)載的數(shù)字.這遠(yuǎn)低于12.5pF所需的數(shù)值,但邏輯門的輸入和輸出引腳都有明顯的負(fù)載.這些附加值需要添加到6.9pF.這些負(fù)載通常為每引腳3pF至4pF,但最高可達(dá)10pF,并且還取決于所使用的邏輯系列.這些額外的負(fù)載以及電路中的任何雜散電容應(yīng)該總計(jì)大約12.5pF.
如果需要可調(diào)諧石英晶體振蕩器,22pF輸出電容可以用固定的10pF電容代替,與2pF到22pF的調(diào)整器并聯(lián).為獲得最佳效果,應(yīng)使用NPO,COG或類似的低溫系數(shù)介電電容,以獲得最佳穩(wěn)定性.
對此類振蕩器的頻繁表達(dá)的要求是嚴(yán)格的公差,通常確實(shí)在布局中,其中不對修剪器做出規(guī)定.除了電容器容差的影響之外,必須理解的是,由于它們的值較低,可歸因于IC的稍微可變的阻抗將導(dǎo)致稍微不確定的相移,因此導(dǎo)致振蕩頻率.因此,如果要求精度優(yōu)于±50ppm,則無論實(shí)際晶體容差如何,建議使用微調(diào)器.
另一個(gè)重要的影響是由于溫度變化.手表晶體和1MHz以下的其他類似類型具有拋物線頻率-溫度特性和設(shè)計(jì)周轉(zhuǎn)率
溫度為25°C(見圖3).周轉(zhuǎn)溫度和拋物線曲率常數(shù)的公差,通常分別為±3℃和0.038ppm/°C2,意味著可以僅在有限的溫度范圍內(nèi)保持緊公差.當(dāng)然,這在手表中幾乎沒有什么影響,因?yàn)樵谑褂弥兴cQuartz Crystal的周轉(zhuǎn)溫度保持接近,但是如果工作溫度范圍可以使這種晶體的選擇比AT切割單元更具成本效益需要寬于0至50℃.
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