深入講解一下晶振電路中的電阻的作用

在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)晶振部分的電路，你會(huì)發(fā)現(xiàn)會(huì)有下面2種電路，圖1電路中，沒有1M的電阻；圖2電路中，晶振會(huì)并聯(lián)一個(gè)1M的電阻。

對(duì)于晶振電路您可以會(huì)產(chǎn)生下面的疑問：

1M電阻具體是什么作用呢？

為什么有的時(shí)候有，有的時(shí)候沒有？

為什么電阻的阻值是1M，而不是其他阻值？

帶著這些疑問，本文我們深入講解一下晶振電路中的電阻的作用。

一：皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator）

普通石英晶振可以正常起振的原理是：芯片內(nèi)部電路與外部晶振和匹配電容組成皮爾斯振蕩器電路，如下圖3所示。

圖3

皮爾斯振蕩器因?yàn)榻M成電路比較簡單（一個(gè)反相器、一個(gè)電阻、晶體振蕩器、2個(gè)電容），并且工作時(shí)比較穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用在幾乎所有的數(shù)字IC的時(shí)鐘電路中。

本文中講述一下該電路工作穩(wěn)定的兩個(gè)條件：

在所需的振蕩頻率下，環(huán)路增益的乘積必須等于或大于1。

環(huán)路周圍的相移必須為零或 2π(360°) 的任何整數(shù)倍。

如下圖4所示;

圖 4

如果 U1 提供 -180° 相移，則其余外部組件需要額外的 -180° 才能滿足標(biāo)準(zhǔn)。相移將自動(dòng)調(diào)整為圍繞環(huán)路精確的 360°，以保持振蕩。

如果 U1 提供 -185° 相移，則其余組件將在正常工作的設(shè)計(jì)中自動(dòng)提供 -175° 相移。

二：反饋電阻Rf作用

Rf是反饋電阻，它使反相器U1工作在線性放大區(qū)。

圖5

反饋電阻連接在 U1的Vin 和 Vout 之間，以便將放大器偏置在 Vout = Vin 并迫使其在線性區(qū)域，即圖5中陰影區(qū)域內(nèi)。

實(shí)際上反相器電路中許多電路不加這個(gè)電阻也能起振，因?yàn)橐话愕碾娐范加袛_動(dòng)信號(hào)，但有個(gè)別的反相門電路不加這個(gè)電阻就不能起振，因?yàn)閿_動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度不夠。

在低溫環(huán)境下振蕩電路阻抗也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)阻抗增加到一定程度時(shí)，晶振就會(huì)發(fā)生起振困難或不起振現(xiàn)象。

如果您的產(chǎn)品出現(xiàn)了低溫情況晶振不起振或者低溫時(shí)MCU運(yùn)行不正常的情況（有的芯片外部振蕩電路不起振時(shí)可能會(huì)自動(dòng)切換為內(nèi)部晶振）。

這時(shí)，我們就需要檢查Rf這個(gè)電阻是否正確。阻值是否合理？是否應(yīng)該接Rf實(shí)際沒有接？

三：Rf的取值

Rf電阻的阻值選擇滿足如下的要求：

圖6

四：Rf的有無？

現(xiàn)在很多芯片的反饋電阻Rf已經(jīng)集成到芯片內(nèi)部，如STM32的晶振電路的框圖如下方的圖7所示

圖7

如果通過查詢芯片手冊(cè)并不能知道內(nèi)部是否集成了Rf，可以通過如下方式進(jìn)行測(cè)量：

在未連接外部元件（C1、C2 和 X1）的情況下，測(cè)量反相器的輸入和輸出的電壓：

如果芯片內(nèi)部集成了反饋電阻，那么測(cè)量的輸入和輸出引腳的電壓將在 Vcc/2 左右；

如果芯片內(nèi)部沒有集成反饋電阻，則反相器將被鎖存，輸入和輸出將處于邏輯“1”或邏輯“0”狀態(tài)；即圖5中的非陰影區(qū)域。

審核編輯：劉清