無源晶振的選型理念 無源晶振的EMC電路設(shè)計(jì)

OSC----無源晶振電路

引言：無源晶振的電路雖然簡單，但是因?yàn)樗钦遄詈诵牡幕驹?，需要在超長的年限里保持工作穩(wěn)定，并且它是一個(gè)高頻輻射源，產(chǎn)品初期的設(shè)計(jì)缺陷容易導(dǎo)致EMC測試失敗，所以無源晶振的電路設(shè)計(jì)雖簡單但考慮點(diǎn)頗多，本節(jié)主要簡述如何設(shè)計(jì)和評(píng)估無源晶振電路。

1.無源晶振的選型理念

晶振選型時(shí)，選用公差和諧振阻抗較小的晶體，除了頻率范圍、負(fù)載電容，調(diào)整頻差和溫度頻差是必須選擇的參數(shù)，一般常用晶振精度不大于±50PPM，長期抖動(dòng)應(yīng)小于500pS。有些晶振抖動(dòng)大，相位噪聲大，頻率誤差大，信號(hào)不能正常解調(diào)，誤碼率高，會(huì)影響整個(gè)鏈路的SNR或者靈敏度等。如果產(chǎn)品對(duì)晶振的穩(wěn)定性要求特別高，建議切換有源晶振。

計(jì)算激勵(lì)功率（驅(qū)動(dòng)功率，下面統(tǒng)稱為激勵(lì)功率）DL根據(jù)MCU規(guī)格書選擇晶振，計(jì)算增益裕量Gmargin，最后成品除了常規(guī)晶振測試，再進(jìn)行一次裕量測試。

2.無源晶振的電路

圖6-1：無源晶振典型電路

圖6-2：無源晶振的幾種常見外圍電路

如圖6-2所示，無源晶振電路的幾種常見方式，有內(nèi)置RF，外置RF，單端Rd，兩端Rd，選擇哪種參考主芯片手冊(cè)，如果手冊(cè)沒有，推薦選擇外置RF，兩端Rd的方式，可以覆蓋到所有的調(diào)試點(diǎn)。如果晶振并聯(lián)1MΩ電阻時(shí)，程序運(yùn)行正常，而在沒有1MΩ電阻的情況下，程序運(yùn)行有滯后甚至無法啟動(dòng)，建議給晶振并聯(lián)1MΩ的電阻以幫助晶振起振。

RF&Rd

KHz晶振電路Rf為10MΩ左右，MHz晶振電路Rf為1MΩ左右，如果沒有加Rf，晶振電路也可能會(huì)起振，但存在不起振或者停振的隱患。

圖6-3：無源晶振標(biāo)準(zhǔn)正弦波

1MΩ電阻是為了使反相器工作在線性區(qū)，以獲得增益，在飽和區(qū)不存在增益，而在沒有增益的條件下晶振不起振。并聯(lián)1M電阻增加了電路中的負(fù)性阻抗（-R），即提升了增益，縮短了晶振起振時(shí)間，使晶振起振更容易。另外如果電路中無任何的擾動(dòng)信號(hào)，晶振不可能起振，許多反相門電路中不加這個(gè)電阻也能起振是因?yàn)橐话愕碾娐范加袛_動(dòng)信號(hào)，但當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度不夠時(shí)，就需要人為外置RF。另外在低溫環(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，這時(shí)也需要給晶振并聯(lián)1MΩ電阻。

注：并聯(lián)電阻不能太小，串聯(lián)電阻不能太大，否則在溫度較低的情況下不易起振。

CL

在無源晶振應(yīng)用方案中，兩個(gè)外接電容能夠微調(diào)晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率。晶體的等效電路圖6-4由靜態(tài)電容C0，動(dòng)態(tài)電容C1，諧振電阻R1，以及動(dòng)態(tài)電感L1組成。

圖6-4：晶振等效電路

諧振器的頻率飄移是其負(fù)載電容的函數(shù)，公式如下：

由上式可見，如果負(fù)載電容CL很大，靜態(tài)電容C0的改變對(duì)頻率變化的影響很小，頻率更加穩(wěn)定。所以負(fù)載高，遠(yuǎn)端相位噪聲好；若負(fù)載電容CL過大，則很難調(diào)整到標(biāo)稱頻率，晶振不容易起振。相反，如果負(fù)載電容CL很小，靜電容C0的微小變化會(huì)造成頻率的明顯變化，近端相位噪聲好，容易調(diào)整頻率，晶振容易起振。

在選擇晶體的負(fù)載電容時(shí)，我們要盡量權(quán)衡能量損耗和頻率的穩(wěn)定性，建議選用諧振電阻較小的晶片，才能給CL保留調(diào)整空間，改善近端和遠(yuǎn)端低相位噪聲需求。

小結(jié)：無源晶振的匹配電容可以選擇兩個(gè)不等值的電容，一大一小可以加快起振。一般常用的電容有6pF、10pF、12pF、18pF等。在允許范圍內(nèi)盡量選小一些的電容，大些的電容雖有利于振蕩的穩(wěn)定，但會(huì)增加起振時(shí)間。起振較慢--->電路相對(duì)穩(wěn)定--->遠(yuǎn)端相噪好--->不利于近端相噪；起振較快--->近端相噪好--->但是牽引量較大--->線路不穩(wěn)定--->頻率漂移較大--->不利遠(yuǎn)端相噪。

3.激勵(lì)功率Drive Level

晶振的功率必須小于規(guī)格書中限定的DL值，否則晶體會(huì)過度機(jī)械振動(dòng)而處于非正常工作狀態(tài)。ESR為等效串聯(lián)電阻，Iqrms為流過晶振的電流均方根有效值。

計(jì)算激勵(lì)功率DL：如果小于DLcrystal，不需要使用外部電阻Rd，如果大于DLcrystal，需要加上Rd在計(jì)算gmargin確保數(shù)值大于5。晶振過分驅(qū)動(dòng)會(huì)使頻率上升，導(dǎo)致晶振早期失效。Rd用來調(diào)整激勵(lì)功率（Drive Level），Rd具體大小需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)程度進(jìn)行調(diào)整。

表6-1：芯片對(duì)晶振的波形幅值要求

4.增益裕量Gain Margin

振蕩電路的放大能力，決定晶振是否能正常起振。計(jì)算gmcrit需要的ESR、f、C0、CL都可以從晶振的規(guī)格書中獲得，反相器跨導(dǎo)g可以從芯片規(guī)格書中獲得。

計(jì)算增益裕量gmargin：如果<5，晶振可以正常起振，如果>5，需要重新挑選更低的ESR或者CL的晶振，根據(jù)晶振規(guī)格書中的負(fù)載電容CL，計(jì)算外部電容C1、C2。

表6-2：芯片對(duì)不同頻率晶振的GM要求

5.起振時(shí)間和頻率漂移

起振時(shí)間主要由晶體的諧振電阻與負(fù)性阻抗共同決定，晶體的諧振電阻越小，起振越快，負(fù)性阻抗大小由振蕩IC和負(fù)載電容CL決定，負(fù)載電容與負(fù)性阻抗大小成反比。

晶振起振時(shí)間的公式如下：其中 L1是動(dòng)態(tài)電感，R1是諧振電阻，Rn 是負(fù)電阻。

諧振器的負(fù)電阻Rn公式如下：

其中g(shù)是諧振器的跨導(dǎo)；f 晶體的共振頻率；CL 是負(fù)載電容。

由公式可見：負(fù)載電容CL越小，負(fù)性阻抗Rn越大，Rn越大，t越小，起振時(shí)間變快；所以可以推出：負(fù)載電容小，負(fù)電阻高，起振時(shí)間越快，負(fù)載電容大，負(fù)電阻低，起振時(shí)間慢

假如32.000MHz-10pF和32.000MHz-18pF這兩個(gè)晶振的參數(shù)都可以滿足要求作替代，就需要注意負(fù)載電容不同帶來的起振時(shí)間差異，一般來講這個(gè)時(shí)間比較小，多數(shù)可以忽略不計(jì)。

圖6-4：晶振的起振時(shí)間示意圖

如圖6-4所示是晶振起振和整個(gè)MCU運(yùn)行起來的前后關(guān)系，上電完成之后晶振開始起振，直至晶振輸出波形正常，MCU才開始工作。如果晶振起振這一步失敗，MCU也不會(huì)工作。

6.裕量測試/振蕩寬限

石英晶體振蕩器的振幅條件是振蕩起動(dòng)及能正常持續(xù)振蕩，評(píng)估振蕩寬限是回路上的負(fù)性電阻絕對(duì)值│-R│。最常用的測試裕量的方法是負(fù)阻測試，如圖6-5所示，在晶振支路上串聯(lián)一個(gè)電阻，這個(gè)阻值的大小一般為3到5倍的晶振內(nèi)阻。當(dāng)加入這個(gè)負(fù)載電阻后，如果整個(gè)晶振電路還是可以正常起振，就基本上可以判定這個(gè)晶振拓?fù)涫欠€(wěn)定的。

圖6-5：負(fù)阻測試示意圖

其中RT是與晶振串聯(lián)連接的純電阻，Re是振蕩時(shí)的有效電阻：

建議振蕩寬限為晶振等效串聯(lián)電阻Re的5倍之上，即│-R│=5Re+Re，此時(shí)需要整個(gè)晶振電路正常起振并保持穩(wěn)定。

7.晶振復(fù)用

通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振（支持XTIN和GND輸入方式），以便于各部分保持同步，如果使用一個(gè)晶體時(shí)鐘，一個(gè)時(shí)鐘緩沖器（或反轉(zhuǎn)門）可以用來驅(qū)動(dòng)其他芯片，該緩沖器應(yīng)靠近晶體放置以最小化寄生電容。

圖6-6：單晶振供應(yīng)多芯片

8.無源晶振的EMC電路

雖然一般針對(duì)無源晶振電路進(jìn)行EMC整改比較少見，但在例如基頻很大，周圍存在敏感器件等特殊使用場景，預(yù)留EMC整改空間還是很有必要的，如下圖6-7是無源EMC電路。

圖6-7：無源晶振的典型EMC電路

其中L1、L2是磁珠FBMA-10-160808-121T：0603磁珠，120Ω@100MHz ±25% 100mΩ 2A，其中10表示是適用高頻類型，消除高頻次諧波。

1：C1、C2為諧振電容，根據(jù)實(shí)際需要取值

2：R1、R2可以根據(jù)實(shí)際情況更換為跳線電阻

3：C3為預(yù)設(shè)計(jì)，可根據(jù)測試情況增加或者調(diào)整

4：L1/L2可根據(jù)測試情況增加或調(diào)整