PCB上晶体振荡电路设计+工作原理

一点电子 2023-03-26 07:48 1847浏览 0评论 0点赞

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今天主要给大家简单介绍一下：PCB 上晶体振荡电路的设计。

晶振实物图

在大部分电路中，设计晶体振荡电路是经常会遇到的。网络上也有很多关于晶体振荡器设计的笔记，不过都是针对大规模生产，这种方法也需要投入大量的测试和不断地进行优化。

这篇文章更加适合小型的电路项目，可以帮助你设计晶体振荡器和选择合适的负载电容。

PCB 图

一、PCB上晶体振荡电路设计步骤

这里主要有 4个简单的步骤：

1、选择晶体振荡器

选择晶体振荡器需要考虑到以下3 个因素：

可拉性与功耗
振荡器对频率变化的功耗启动时间与封装尺寸
上电后达到稳定振荡所需要的时间成本

1) 可拉性与功耗

一般来说，拉力低的晶体振荡器需要较大的负载。每个振荡周期都必须要释放电容的能力，因此更大的负载电容意味着更高的功耗损耗。

很多微控制器的 datasheet 中都会有推荐负载电容的最大值，这样的话可以减低驱动电路中的功耗。

2) 振荡器对频率变化的功耗启动时间与封装尺寸

较小的晶体振荡器封装具有较大的 ESR ，较大的 ESR 会提供较大的临界增益（gm_crit），从而降低增益宽=裕度。

增益裕度降低意味着晶体需要更长的时间才能启动。

3) 上电后达到稳定振荡所需要的时间成本

其实很多时候性能和成本并不是强关联，如果在满足性能下，可以选择成本相对较低的晶体振荡器。

2、检查微控制器是否可以驱动晶体振荡器

通常来微控制器的 datasheet 中会提供一些关于怎么选择晶体振荡器。这些参数与临界增益由关，临界增益是微控制器电路启动晶体振荡器所需的最小增益。

有的 datasheet 还会提供一组给定频率和负载电容的晶体振荡器允许的最大的 ESR。

如果微控制器数据表提供振荡器跨导（通常以uA/V为单位）或最大临界增益，那么我们需要计算晶体的临界增益并检查微控制器是否可以驱动它。

下面为临界增益计算公式：

临界增益公式

在这个公式中：

F 是晶体振荡器的标称频率
ESR 是晶体的等效串联电阻
CO 是晶振并联电容
CL 是晶体的标称负载电容

临界增益是晶体的一个属性，这些参数在晶体的数据手册中。

接下来计算增益裕度。如果增益余量大于5，则振荡器将可靠启动。更大的增益余量意味着更快的振荡器启动。

晶体振荡器的启动条件：增益余量大于5，如下公式所示：

晶体振荡器的启动条件

下面为增益裕度计算公式：

增益裕度

或者，一些微控制器数据表提供了最大临界增益gm_crit_max。在这种情况下，gm_crit必须小于gm_crit_max。

如果微控制器不满足驱动晶振的要求，就需要重新选择晶体振荡器。

3、晶体振荡器的功耗

datasheet 中会指定了晶体的驱动电平（DL），驱动电平基本上是晶振正常工作时的最大额定功率。

驱动电平的粗略估计可以用下面这个公式计算：

驱动电平驱动电平计算公式

在上面这个公式中：

△V 是峰峰值振荡器电压——最坏的情况：△V=Vcc

如果估计值低于晶体振荡器的额定驱动电平，则直接进行下一步。

符合要求的驱动电平

如果估计值高于晶体振荡器的额定驱动电平，你可以改进估计值或者重新另外的晶体振荡器。

4、选择负载电容 CL1和 CL2

第一次设计晶体振荡电路的时候，先假设两个负责电容是并联的。选择了CL1=CL2=0.5*CL，但经过验证过后，这是错误的。

负载电容是晶体两端所需的电容，因此 CL1 和CL2 串联。负载电容的计算公式如下所示：

负载电容的计算公式

将负载电容的计算公式简化一下，简化后的公式如下所示：

简化后的负载电容计算公式

Cstray 是来自微控制器引脚和走线电容的杂散电容的累积，很多有经验的工程师建议，将这个值估计为 5pF 左右。

则公式为以下：

负载电容公式

一些微控制器数据手册提供了更准确数据一一例如，msp430f22x2系列指定了 1pF 的杂散电容，非常适合其低功耗模型。

二、PCB 中晶体振荡电路设计

这里希望通过 PCB 布局来最小化振荡器和外部信号之间的耦合，因为高频耦合会激发晶体振荡器的高次谐波，晶振是干扰外部电路的噪声源。

具体有以下几点需要注意：

1、晶体振荡器靠近微控制器

短走线具有低互感和电容，长走线具有高互感和电容。使晶体靠近微控制器可以缩短走线，从而减少耦合。所以走线的长度尽可能短，但不能与其他信号线交叉。

2、振荡器电路与高频电路隔离开

路由非振荡器信号时，高频电路要远离振荡器电路。也可以考虑使用带有通孔的铜迹线，围绕着振荡器电路，这将减少外部信号线和振荡器之间的互感。

振荡器电路与高频电路隔离开

通常的做法是将振荡器电路下方的接地层分开，仅在一点点连接分离的接地层，就在微控制器接地旁边。这可以防止来自其他信号源的返回电流通过振荡器使用的接地层。上图的示例就是按照这种方法，只是没有很明显。

3、晶振靠近 CPU 芯片摆放，但要尽量远离板边。

因为内部石英晶体的存在，由于外部冲击或跌落容易损坏石英晶体，从而造成晶体不振荡，在设计可靠的安装电路时要考虑晶体，靠近 CPU 芯片的位置优先放置远离板块的一面。

晶振放置图

（圆柱晶振）外壳接地后，加一个与晶振形状相似的长方形焊盘，让晶振“平放”在这个焊盘上，并在焊盘的两个长边附近开一个孔（孔要落在焊盘上，最好用多层焊盘代替孔，两个多层焊盘要接矩形焊盘），然后用铜线或其他裸线将晶振“箍”起来，铜线的两端焊接在你开的两个孔或焊盘上。这样可以避免高温焊接对晶振的损坏，保证良好的接地。

4、手工或机器焊接时，要注意焊接温度

晶振对温度敏感，焊接时温度不宜过高，加热时间尽量短。

焊接图片

5、耦合电容应尽量靠近晶振的电源管脚放置

放置顺序：根据功率流向，按电容值从小到大排列，电容最小的电容值最接近电源引脚。

6、晶振外壳接地

晶振外壳接地（如果接地影响负载电容的话，就不能接地），既可以从晶振向外辐射，也可以屏蔽外界信号对晶振的干扰。

7、不要在晶振下方布线，确保完全铺设好地线

在晶振 300mil 范围内不要布线，以免晶振干扰其他布线、器件和层的性能。

8、时钟信号的走线尽量短，线宽要大一些

时钟信号的走线尽量短，线宽要大一些。在布线长度与热源的距离之间找到平衡点。

三、示例1∶为 STM32 设计 8MHZ 晶体振荡器

STM32实物图

1、选择晶振

STM32F427 数据手册中要求：

对于 4-26MHz 晶体，Gm_crit_max=1mA/V
频率容差必须为 +/-500ppm 或更好
CL1 和 CL2 建议在 5pF 到 25pF 之间

这里我们选择 7A-8.000MAAJ-T，虽然 STM32 的引脚间距为0.5mm，但晶振的尺寸小，可以放置在靠近在 STM32的位置。

7A-8.000MAAJ-T 晶振的特性：

CL= 18 pF
ESR= 60 Ω
频率稳定性= 50 ppm
频率容差= 30 ppm
CO= 7pFmax
驱动电平（DL）= 500uW max

2、检查微控制器是否可以驱动晶振，计算 gm_crit（增益裕度）∶

gm_crit计算公式

所以gm_crit低于Gm_critmax，振荡器电路将可靠启动。

3、晶振可以处理功率损耗吗？

这里粗略估计电路的驱动电平∶

驱动电平计算公式

计算得 DL =267uW，低于晶体允许的最大驱动电平500uW。

4、选择负载电容 CL1 和 CL2

假设 Cstray=5pF，则∶

负载电容公式

CL1=26pF

STM32 建议将 CL1和CL2保持在 25pF 以下，所以可以选 24 pF 的电容。

四、示例2∶为 ATMEGA328 选择 16MHZ 晶体振荡器

ATMEGA328

1、选择晶振

ATMega328 数据手册的要求：

16MHz 的最小电压为 3.78V，以适应安全操作，如图下所示。要驱动 16MHz 时钟，我们必须在 3.78V 或以上，对于本设计，我们在 5V 下工作。
CL1 和 CL2 建议在 12pF 到 22pF 之间

ATMega328 数据手册

这里选择 9B-16.000MAAE-B 晶振。9B-16.000MAAE-B 晶振的特性参数如下所示：

CL= 12pF
ESR = 30Ω
频率稳定性= 30ppm
频率容差= 30ppm
C0= 7pFmax
驱动电平（ DL）=500uWmax

2、检查微控制器是否可以驱动晶振

ATMega328 的数据表中没有跨导规范，这里就必须让开发人员设置好保险丝，以便在填充 PCB 后启用振荡器。

3、晶振可以处理功率损耗吗？

粗略估计电路的驱动电平（DL）∶

驱动电平计算

驱动电平（ DL ）=545uW。

驱动电平估计值太高。但是，如果选择 CL1并且表明设计的功耗是可以承受的，就可以改进这个估计值。

4、选择负载电容 CL1 和 CL2

假设Cstray=5pF，则∶

负载电容计算

CL1= 14PF。

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一、PCB上晶体振荡电路设计步骤

二、PCB 中晶体振荡电路设计

三、示例1∶为 STM32 设计 8MHZ 晶体振荡器

四、示例2∶为 ATMEGA328 选择 16MHZ 晶体振荡器

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