Pierce振盪器設計

2022-09-01 21:03:25 字數 2069 閱讀 3140

一、pierce振盪器電路

inv:內部反相器,作用等同於放大器;

q:石英晶體或陶瓷晶振;

rext:外部限流電阻(防止石英晶體被過分驅動);

cl1、cl2:外部負載電容;

cs:雜散電容;

二、負載電容cl

cl值取決於外部電容cl1和cl2,及電路板上的雜散電容cs。晶振製造商會給出cl值,為了保證振盪頻率精度,需要使標稱cl與實際cl盡可能接近。cl表示式如下:

——式1

cs一般是3~5pf

三、振盪器的增益裕量

增益裕量是最重要的引數,它決定振盪器是否能夠正常起振,其表示式為:

——式2

其中:a.gm是反相器的跨導,其單位是ma/v(高頻)或者是μa/v(低頻)——這個需要從微控制器的datasheet中查詢

b.gmcrit的值取決於晶振本身的引數——要通過晶振給出的資料計算得出

假定cl1=cl2,並假定晶振的cl與標稱一致,則gmcrit表示式如下:

——式3

esr指晶振的等效串聯電阻。

為保證晶振可靠起振,增益裕量的最小值一般設為5

四、驅動等級測量

驅動等級可以由下式計算得出:

——式4

iqrms是交流電流的均方根有效值。

這個電流可以使用小電容(<1pf)分布的示波器探頭在放大器的輸入端,即osc_in引腳,測量電壓變化得到。相對於流經cl1的電流,放大器的輸入電流可以忽略不計(輸入電阻無窮大);因此可以假定經過晶振的電流等於流經cl1的電流。這樣在這點上,電壓的均方根有效值與電流的均方根有如下關係:

——式5

其中:a.f是晶體的頻率

,這裡vpp是在cl1端測量電壓的峰-峰值

(cprobe是探頭的電容量)

這樣,驅動級別可以由下式得出:

——式6

dl數值超過標稱值時,需要新增rext。同時,dl也不可以遠小於標稱值。

五、外部電阻rext計算

這個電阻的作用是限制晶振的驅動級別,並且它與cl2組成乙個低通濾波器,以確保振盪器的起振點在基頻上,而不是在其他高次諧波頻率上(避免3次、5次、7次諧波頻率)。如果晶振的功耗超過晶振製造商的給定值,外部rext是必須的,避免晶振被過分驅動。如果晶振的功耗小於標稱值,不需使用外部電阻。

對rext值的預估可以通過考慮由rext和cl2的電壓分壓rext/cl2實現(注意到rext和cl2構成乙個分壓/濾波器,考慮通帶寬度不小於振盪器頻率),則由rext的值等於cl2的電抗:

——式7

優化rext的方法:首先確定cl1、cl2的值,然後用電位器代替rext,rext值可設為cl2的電抗值。然後調整電位器的值直到它滿足驅動級別的需要,此時電位器的值就是rext的值

注意:在計算完rext的值後,仍然需要重新計算gainmargin的值,以確保rext對起振沒有影響。

——式8

六、啟動時間

啟動時間指振盪器啟動並達到穩定所需的時間。這個時間受外部電容cl1、cl2影響,同時它隨著晶振的頻率的增加而減少,石英晶體的起振時間要比陶瓷晶振的時間要長得多。

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