晶振電路及晶振外圍阻容器件的選型計算

前言

作為一名硬件工程師，從接觸單片機(jī)的那天，就看到MCU的旁邊會用到晶振，晶振的旁邊往往會放兩個電容，有時候還會再放個電阻，很多硬件工程師都是看別的工程師放多大的電容，電阻，自己也跟著放，這樣也沒錯，但是知其然不知其所以然，對你的硬件水平提高是沒有任何幫助的，今天我們就講一下晶振電路，以及晶振外圍阻容器件的選型計算，干貨較多，所以我們準(zhǔn)備分成兩篇文章來講解。下一篇文章會講晶振和MCU是否匹配已經(jīng)晶振電路常見問題處理。

晶振

晶振電路

晶振電路有兩種，一種是Pierce電路，另外一種是Colpitts電路，其實(shí)就是兩種晶振拓?fù)洌容^常用的是Pierce電路。所以我們大概介紹一下Colpitts電路的特點(diǎn)就跳過了，采用Colpitts電路的晶振的缺點(diǎn)是晶振兩端會有雜散電抗，此時比較難考慮雜散電抗的影響，說白了就是計算起來比較麻煩，電路可靠性也更低，還會在晶振兩端形成DC偏置電壓，有點(diǎn)是電路有振幅限制，從而功耗更低，對外部電路輻射干擾更小。

我們重點(diǎn)要介紹的是Pierce電路，具體電路就是下圖這種形式，也是最常見的拓?fù)鋱D，該電路一般由非門電路（增益特別大的運(yùn)放），反饋電阻，負(fù)載電容構(gòu)成，電容和晶振是外置的，一般要自己選型，運(yùn)放和反饋電阻一般集成在IC內(nèi)部，啟動速度更快，可靠性更高，所以說除非有很嚴(yán)苛的功耗要求，一般推薦使用此電路。

1）Rs是限流電阻，Rs的值越小，晶振啟動速度越快，為了避免晶振過驅(qū)動，Rs也不能過小，在高頻晶振中，Rs可以短路。

2）Rb是反饋電阻，為運(yùn)放輸入提供反饋，讓運(yùn)放工作在線性區(qū)，當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時，晶振才能正常起振，當(dāng)然反饋電阻Rb也會影響運(yùn)放的環(huán)路增益，反饋電阻越大，增益越大。

阻容元件計算

1）負(fù)載電容計算

Cl=(C1*C2) / (C1+C2)+Cs+Cp

Cs就是晶振內(nèi)部的雜散電容，晶振規(guī)格書中一般會標(biāo)出該值，Cp就是PCB板上的走線以及晶振引腳的寄生電容，Cs和Cp的電容加起來總計2-8pF，最準(zhǔn)確的方法是通過測試晶振輸出波形來確認(rèn)負(fù)載電容是否合適。負(fù)載電容越大，晶振頻率越低。C1越大，反饋越弱，越不利于晶振起振，晶振就無法穩(wěn)定工作，當(dāng)然了反饋過強(qiáng)，會導(dǎo)致晶振過驅(qū)動，也會有問題。

大家需要注意的是負(fù)載電容一定要選用NP0或C0G電容才可以,溫度穩(wěn)定性更高，這樣頻率才會更穩(wěn)定。

2）反饋電阻計算

反饋電阻的作用是讓晶振電路的反相器工作在線性區(qū)，也就是下圖的陰影區(qū)時，這時候電路沒有飽和，屬于負(fù)反饋放大電路，才會穩(wěn)定持續(xù)工作，反饋電阻的作用就在這里，那么反饋電阻怎么計算呢？我查閱了很多文檔，都沒有給出計算公式，但是找到了一份配置表，大家可以參考。

晶振輸入輸出關(guān)系圖

反饋電阻選型表

總結(jié)

今天我們就講到這里了，明天我們會接著講一下晶振電路和MCU的兼容性計算，這點(diǎn)非常重要，因?yàn)榫д耠娐返降仔胁恍羞€要看你選的MCU是否認(rèn)可，也就是和MCU是否匹配，那么怎么通過計算確認(rèn)呢？關(guān)注我，請參見下一篇文章。

審核編輯：湯梓紅