微控制器時(shí)鐘―選擇晶振諧振槽路、RC振蕩器還是硅振蕩器？

摘要：晶振、陶瓷諧振槽路、RC (電阻、電容)振蕩器以及硅振蕩器是適用于微控制器(μC)的四種時(shí)鐘源。針對(duì)具體應(yīng)用優(yōu)化時(shí)鐘源設(shè)計(jì)依賴(lài)于以下因素：成本、精度和環(huán)境參數(shù)。本篇應(yīng)用筆記討論了與微控制器時(shí)鐘選擇有關(guān)的各種因素，并對(duì)不同類(lèi)型的振蕩器進(jìn)行了比較。

另請(qǐng)參考: 微控制器時(shí)鐘支援方案

概述

微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類(lèi)：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時(shí)鐘源，如：RC (電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時(shí)鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)取D1給出了兩種時(shí)鐘源。圖1給出了兩個(gè)分立的振蕩器電路，其中圖1a為皮爾斯振蕩器配置，用于機(jī)械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖1b為簡(jiǎn)單的RC反饋振蕩器。


圖1. 簡(jiǎn)單時(shí)鐘源：(a) 皮爾斯振蕩器 (b) RC反饋振蕩器

機(jī)械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別

基于晶振與陶瓷諧振槽路(機(jī)械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對(duì)而言，RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會(huì)在標(biāo)稱(chēng)輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。圖1所示的電路能產(chǎn)生可靠的時(shí)鐘信號(hào)，但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認(rèn)真對(duì)待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對(duì)放大器的選擇并不敏感，但在過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾(EMI)、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。

振蕩器模塊

上述大部分問(wèn)題都可以通過(guò)使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類(lèi)型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?

功耗

選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門(mén)電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。

陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。

相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA至60mA。

硅振蕩器的電源電流取決于其類(lèi)型與功能，范圍可以從低頻(固定)器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)只需不到2mA的電流。

結(jié)論

在特定的微控制器應(yīng)用中，選擇最佳的時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。下表給出了幾種常用的振蕩器類(lèi)型，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1. 不同類(lèi)型時(shí)鐘源性能對(duì)比

Clock Source	Accuracy	Advantages	Disadvantages
Crystal	Medium to high	Low cost	Sensitive to EMI, vibration, and humidity. Complex circuit impedance matching.
Crystal Oscillator Module	Medium to high	Insensitive to EMI and humidity. No additional components or matching issues.	High cost; high power consumption; sensitive to vibration; large packaging.
Ceramic Resonator	Medium	Lower cost	Sensitive to EMI, vibration, and humidity.
Integrated Silicon Oscillator	Low to medium	Insensitive to EMI, vibration, and humidity. Fast startup, small size, and no additional components or matching issues.	Temperature sensitivity is generally worse than crystal and ceramic resonator types; high supply current with some types.
RC Oscillator	Very low	Lowest cost	Usually sensitive to EMI and humidity. Poor temperature and supply-voltage rejection performance.