揭秘:晶振是如何決定數字電路生死的?
發布時間:2014-08-29 責任編輯:sherryyu
【導讀】晶振,在(zai)板(ban)子(zi)上(shang)看(kan)上(shang)去(qu)一(yi)個(ge)不(bu)起(qi)眼(yan)的(de)小(xiao)器(qi)件(jian),但(dan)是(shi)在(zai)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)裏(li),就(jiu)像(xiang)是(shi)整(zheng)個(ge)電(dian)路(lu)的(de)心(xin)髒(zang)。數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)的(de)所(suo)有(you)工(gong)作(zuo)都(dou)離(li)不(bu)開(kai)時(shi)鍾(zhong),晶(jing)振(zhen)的(de)好(hao)壞(huai),晶(jing)振(zhen)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)好(hao)壞(huai),會(hui)影(ying)響(xiang)到(dao)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。所(suo)以(yi)更(geng)多(duo)的(de)了(le)解(jie)晶(jing)振(zhen),選(xuan)擇(ze)好(hao)係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)的(de)晶(jing)振(zhen),對(dui)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)來(lai)說(shuo)是(shi)決(jue)定(ding)成(cheng)敗(bai)的(de)第(di)一(yi)步(bu)。
womenmuqianchangshuodejingzhendoushishiyingjingtizhendangqihuozheshiyingjingtixiezhenqidejiancheng。tamendoushiliyongshiyingjingtideyadianxiaoyingzhizuoercheng。zaishiyingjingtidelianggedianjishangshijiadianchanghuishijingtichanshengjixiebianxing,fanzhi,ruguozaijingtiliangceshijiajixieyalijiuhuizaijingtishangchanshengdianchang。bingqie,zheliangzhongxianxiangshikenide。liyongzhezhongtexing,zaijingtideliangceshijiajiaobiandianya,jingpianjiuhuichanshengjixiezhendong,tongshichanshengjiaobiandianchang。zhezhongzhendonghedianchangyibandouhenxiao,danshizaimougetedingpinlvxia,zhenfuhuimingxianjiada,zhejiushiyadianxiezhen,hewomenchangjiandaodeLC回路諧振有些類似。下圖是晶振的電氣等效電路和電抗頻率特性曲線圖:

從圖中可以看出,當LCR這個支路發生串聯諧振的時候,其串聯諧振頻率為fs,其計算公式和普通的串聯諧振計算公式一樣:
當頻率繼續提高,高於fs時,LCR支路呈感性,這樣和C0產生並聯諧振,並聯諧振頻率fp,其計算公式為:

其中由於晶振的特性,C遠小於C0,所以fp和fs的(de)值(zhi)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)。通(tong)過(guo)電(dian)抗(kang)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)圖(tu)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)來(lai),在(zai)這(zhe)個(ge)狹(xia)窄(zhai)的(de)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei),晶(jing)振(zhen)整(zheng)體(ti)表(biao)現(xian)出(chu)感(gan)性(xing),這(zhe)樣(yang)隻(zhi)需(xu)要(yao)在(zai)晶(jing)振(zhen)外(wai)部(bu)並(bing)聯(lian)合(he)適(shi)的(de)電(dian)容(rong),就(jiu)可(ke)以(yi)組(zu)成(cheng)並(bing)聯(lian)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)。然(ran)後(hou)把(ba)這(zhe)個(ge)並(bing)聯(lian)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)加(jia)到(dao)負(fu)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu)中(zhong)就(jiu)可(ke)以(yi)構(gou)成(cheng)正(zheng)弦(xian)波(bo)振(zhen)蕩(dang)電(dian)路(lu)。這(zhe)個(ge)合(he)適(shi)的(de)電(dian)容(rong)就(jiu)是(shi)晶(jing)振(zhen)的(de)負(fu)載(zai)電(dian)容(rong)。

上圖就是一個常見的晶振振蕩電路,晶振和C1、C2組成並聯諧振回路,接到芯片的管腳上,芯片內部的反相放大器和Rf組成負反饋回路,R1用來限製流入晶振的電流。有些芯片會把Rf和R1集ji成cheng到dao器qi件jian中zhong,這zhe樣yang就jiu降jiang低di了le電dian路lu設she計ji的de難nan度du。,並bing且qie保bao證zheng了le係xi統tong的de穩wen定ding性xing。晶jing振zhen的de重zhong要yao參can數shu就jiu是shi負fu載zai電dian容rong,選xuan擇ze與yu負fu載zai電dian容rong相xiang等deng的de電dian容rong並bing聯lian,能neng保bao證zheng晶jing振zhen工gong作zuo在zai額e定ding頻pin率lv。假jia如ru晶jing振zhen的de負fu載zai電dian容rong是shi15pf,那麼C1、C2我們可以選擇30pf,考慮到芯片管腳電容和PCB走線電容的影響,這個取值也可以適當減小,27pf,22pf一般也能正常工作。在滿足起震要求的情況下,C1、C2可以選擇的盡量小,這樣可以加快晶振的起震時間。需要注意的是,有些晶振廠商會直接提供C1、C2的推薦值,而不是給出負載電容,所以在實際使用的時候還是要根據使用的具體型號去和廠家確認。
jingzhenchuleyadianxiaoyingyiwai,haiyouyigebunengbeihulvedetexing,jiushiwenpiao。jingzhendezhendangpinlvhuisuizhehuanjingwendudebianhuafashengweixiaodepianyi,zheshijingzhenguyoudetexing。zhengshiyouyuwenpiaodecunzai,putongjingzhendejingduhennanzuodehengao,changjiandejingzhenjingduduowei40ppm,20ppm,很難做到10ppm以(yi)下(xia)。這(zhe)種(zhong)精(jing)度(du)在(zai)一(yi)些(xie)對(dui)晶(jing)振(zhen)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)的(de)場(chang)合(he),如(ru)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)時(shi)鍾(zhong)輸(shu)入(ru)等(deng),完(wan)全(quan)能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)需(xu)求(qiu)。但(dan)是(shi)在(zai)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin),蜂(feng)窩(wo)應(ying)用(yong),廣(guang)播(bo)電(dian)視(shi)等(deng)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu),需(xu)要(yao)時(shi)鍾(zhong)精(jing)確(que)同(tong)步(bu),普(pu)通(tong)晶(jing)振(zhen)就(jiu)很(hen)難(nan)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)需(xu)求(qiu)了(le)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)溫(wen)漂(piao)帶(dai)來(lai)的(de)影(ying)響(xiang),係(xi)統(tong)就(jiu)要(yao)選(xuan)擇(ze)精(jing)度(du)更(geng)高(gao)的(de)溫(wen)補(bu)晶(jing)振(zhen)或(huo)者(zhe)恒(heng)溫(wen)晶(jing)振(zhen)。溫(wen)補(bu)晶(jing)振(zhen)是(shi)通(tong)過(guo)感(gan)應(ying)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du),然(ran)後(hou)將(jiang)溫(wen)度(du)信(xin)息(xi)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)控(kong)製(zhi)量(liang)控(kong)製(zhi)晶(jing)振(zhen)的(de)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)。現(xian)在(zai)的(de)溫(wen)補(bu)晶(jing)振(zhen)多(duo)采(cai)用(yong)數(shu)字(zi)化(hua)技(ji)術(shu),能(neng)夠(gou)達(da)到(dao)更(geng)精(jing)確(que)的(de)控(kong)製(zhi)。而(er)恒(heng)溫(wen)晶(jing)振(zhen)更(geng)進(jin)一(yi)步(bu),將(jiang)晶(jing)體(ti)置(zhi)於(yu)恒(heng)溫(wen)槽(cao)內(nei),通(tong)過(guo)設(she)置(zhi)恒(heng)溫(wen)工(gong)作(zuo)點(dian),使(shi)恒(heng)溫(wen)槽(cao)保(bao)持(chi)一(yi)個(ge)恒(heng)溫(wen)的(de)狀(zhuang)態(tai),晶(jing)體(ti)在(zai)恒(heng)溫(wen)槽(cao)內(nei)就(jiu)可(ke)以(yi)不(bu)受(shou)外(wai)界(jie)溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang),大(da)大(da)提(ti)高(gao)晶(jing)振(zhen)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)的(de)穩(wen)定(ding)度(du)。溫(wen)補(bu)晶(jing)振(zhen)和(he)恒(heng)溫(wen)晶(jing)振(zhen)的(de)輸(shu)出(chu)精(jing)度(du)都(dou)能(neng)夠(gou)達(da)到(dao)1ppm甚至更高。能夠滿足嚴苛的係統需求。
由於晶振在數字電路中的重要性,在使用和設計的時候我們需要小心處理:
a. jingzhenneibucunzaishiyingjingti,suoyizaishoudaowaibuzhuangjihuozhedieluodeshihourongyizaochengshiyingjingtiduanlieposunzaochengjingzhenshixiao。zaishejideshihoujiuyaokaolvjingzhendekekaoanzhuangyijiweizhijinliangbuyaokaojinbanbian,shebeiwaikedengdeng
b. 在手工焊接或者機器焊接的時候要注意焊接溫度,晶振對溫度比較敏感,焊接時溫度不能過高,並且加熱時間盡量短。
c. 設(she)計(ji)的(de)時(shi)候(hou)盡(jin)量(liang)縮(suo)短(duan)晶(jing)振(zhen)部(bu)分(fen)的(de)走(zou)線(xian),晶(jing)振(zhen)走(zou)線(xian)和(he)其(qi)他(ta)信(xin)號(hao)線(xian)之(zhi)間(jian)保(bao)留(liu)盡(jin)量(liang)遠(yuan)的(de)距(ju)離(li),並(bing)且(qie)推(tui)薦(jian)將(jiang)晶(jing)振(zhen)的(de)外(wai)殼(ke)接(jie)地(di),這(zhe)些(xie)措(cuo)施(shi)都(dou)能(neng)更(geng)好(hao)的(de)避(bi)免(mian)幹(gan)擾(rao)。
d. 謹慎選擇C1、C2的容值。盡量按照廠家提供的推薦值設計。在滿足起震要求的前提下,C1、C2的取值可以盡量小,能縮短晶振起震時間。
e. 注zhu意yi晶jing振zhen是shi否fou被bei過guo驅qu動dong,過guo驅qu動dong會hui影ying響xiang晶jing振zhen使shi用yong壽shou命ming。如ru果guo用yong示shi波bo器qi測ce試shi發fa現xian晶jing振zhen的de輸shu出chu被bei削xue波bo,波bo峰feng波bo穀gu被bei削xue平ping,那na麼me就jiu要yao考kao慮lv晶jing振zhen是shi否fou被bei過guo驅qu動dong。可ke以yi適shi當dang調tiao整zhengR1限流電阻的阻值。直到輸出完整的正弦波。
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