### 晶体振荡器电路+PCB布线设计指南 #### 一、石英晶振的特性及模型 石英晶振作为一种重要的频率控制组件，广泛应用于各种电子设备中，尤其是在微控制器系统中扮演着核心角色。石英晶体本质上是一种压电器件，能够将电能转换成机械能，反之亦然。这种能量转换发生在特定的共振频率点上。为了更好地理解石英晶振的工作原理，可以将其等效为一个简单的电路模型。 **石英晶体模型**： - **C0**：等效电路中与串联臂并接的电容（并电容），其值主要由晶振尺寸决定。 - **Lm**：动态等效电感，代表晶振机械振动的惯性。 - **Cm**：动态等效电容，代表晶振的弹性。 - **Rm**：动态等效电阻，代表电路内部的损耗。 晶振的阻抗可以用以下方程表示（假设 Rm 可以忽略）： \[ Z = jX \] 其中 X 是晶振的电抗，可以表示为： \[ X = \frac{1}{\omega C_m} - \omega L_m \] 这里 ω 表示角频率。 - **Fs**：串联谐振频率，当 \( X = 0 \) 时，有 \[ Fs = \frac{1}{2\pi\sqrt{L_mC_m}} \] - **Fa**：并联谐振频率，当 \( X \) 趋于无穷大时，有 \[ Fa = \frac{1}{2\pi\sqrt{\left(\frac{1}{\omega^2C_0} + \frac{1}{\omega^2C_m}\right)L_m}} \] 在 Fs 和 Fa 之间（图2中的阴影部分），晶振工作在并联谐振状态，呈现出电感特性，导致大约 180° 的相位变化。这个区域内晶振的频率 \( FP \)（负载频率）可以通过下面的公式计算： \[ FP = \frac{1}{2\pi\sqrt{\left(\frac{1}{\omega^2C_0} + \frac{1}{\omega^2C_m}\right)\left(L_m + \frac{1}{\omega^2C_L}\right)}} \] 通过调节外部负载电容 \( CL \)，可以微调振荡器的频率。晶振制造商通常会在产品手册中指定外部负载电容 \( CL \) 的值，以便使晶振在指定频率下振荡。 **等效电路参数实例**：以一个晶振为例，其参数为 Rm = 8Ω，Lm = 14.7mH，Cm = 0.027pF，C0 = 5.57pF。根据上述公式，可以计算得出 Fs = 7988768Hz，Fa = 8008102Hz。如果外部负载电容 CL = 10pF，则振荡频率为 FP = 7995695Hz。为了使其达到 8MHz 的标称振荡频率，CL 应该调整为 4.02pF。 #### 二、振荡器原理 振荡器是一种能够自行产生周期性信号的电路。在电子学中，振荡器被广泛用于生成稳定的时钟信号、射频信号等。对于微控制器来说，一个稳定且准确的时钟信号至关重要，因为它直接影响到系统的性能和可靠性。 **振荡器的基本组成**： - **放大器**：用于放大信号。 - **反馈网络**：提供正反馈使得信号循环。 - **滤波器**：用于选择特定频率范围内的信号。 **振荡器工作条件**： 1. **巴克豪森准则**：振荡器必须满足巴克豪森准则，即环路增益必须等于 1（或 0dB），并且环路总相移必须为 360° 或 0°。 2. **足够的相位裕量**：为了保证振荡器的稳定性，系统需要有足够的相位裕量。 3. **足够的幅度裕量**：振荡器还必须有足够的幅度裕量，以确保即使在温度变化、电源电压波动等情况下也能保持稳定的振荡。 #### 三、Pierce 振荡器 Pierce 振荡器是一种常见的振荡器电路，特别适用于使用石英晶振作为频率控制元件的场合。它通过一个晶体与两个电容器（C1 和 C2）连接构成，晶体的并联谐振频率决定了振荡器的频率。Pierce 振荡器的优点在于其频率稳定性高、振荡频率受温度变化的影响较小。 **Pierce 振荡器设计要点**： 1. **反馈电阻 RF**：反馈电阻用于设定振荡器的增益，确保振荡器能够启动并维持振荡。RF 的值通常较小，以保证足够的增益。 2. **负载电容 CL**：负载电容对振荡器的频率有直接影响。选择合适的 CL 值可以微调振荡频率，并确保其符合设计要求。 3. **振荡器的增益裕量**：增益裕量是指振荡器工作时的增益与其稳定振荡所需最小增益之间的差值。较高的增益裕量可以提高振荡器的稳定性。 4. **驱动级别 DL 外部电阻 RExt 计算**：驱动级别指的是振荡器向晶振提供的电流水平。过高的驱动可能会损害晶振，因此需要计算合适的 RExt 来限制驱动电流。 5. **启动时间**：启动时间是指振荡器从开启到稳定输出所需的时间。合理的电路设计可以缩短启动时间。 6. **晶振的牵引度 Pullability**：晶振的牵引度是指晶振频率受外部电容变化的影响程度。低牵引度意味着晶振对外部扰动不敏感，更加稳定。 #### 四、挑选晶振及外部器件的简易指南 在选择晶振及外部器件时，需要考虑多个因素，包括振荡频率、负载电容、温度稳定性等。 **晶振选择指南**： - **振荡频率**：确保晶振的标称频率与所需频率匹配。 - **负载电容**：选择与设计相匹配的负载电容值。 - **温度稳定性**：根据应用环境选择具有合适温度稳定性的晶振。 - **封装类型**：根据 PCB 布局选择合适的封装形式。 **外部器件选择指南**： - **电容器**：选择合适的电容值以实现精确的频率微调。 - **电阻器**：选择适当的电阻值以确保足够的反馈和增益。 #### 五、关于 PCB 的提示 PCB 设计对于振荡器的性能同样至关重要。良好的 PCB 设计可以减少信号干扰，提高振荡器的稳定性。 **PCB 设计要点**： 1. **布局**：合理布局晶振及其周边元件，尽量减小引线长度，避免形成寄生效应。 2. **接地**：确保良好的接地以减少噪声干扰。 3. **去耦电容**：在电源线上添加去耦电容，以减少电源噪声对振荡器的影响。 4. **隔离**：对于高频振荡器，应采取措施将振荡器与其它电路隔离，减少相互间的干扰。 #### 六、结论 通过对石英晶振特性的深入分析以及 Pierce 振荡器的设计要点介绍，我们可以看出，一个稳定可靠的振荡器不仅需要精心选择晶振和外部器件，还需要进行细致的 PCB 设计。只有综合考虑所有因素，才能设计出高性能的振荡器电路。此外，本应用指南还提供了针对 STM32 微控制器的一些建议晶振型号，有助于工程师们快速上手设计。希望这些信息能够帮助您在实际设计中取得成功。

按照选频网络所采用元件的不同， 正弦波振荡器可分为LC 振荡器、RC 振荡器和晶体振荡器等类型。其中LC 振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波。正反馈放 大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成，也可以由集成电路组成。

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大多数设计者都熟悉基于Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的振荡器，但很少有人真正了解它是如何工作的，更遑论如何正确的设计。我们经常看到，在振荡器工作不正常之前，多数人是不愿付出太多精力来关注振荡器的设计的，而此时产品通常已经量产；许多系统或项目因为它们的晶振无法正常工作而被推迟部署或运行。情况不应该是如此。在设计阶段，以及产品量产前的阶段，振荡器应该得到适当的关注。设计者应当避免一场恶梦般的情景：发往外地的产品被大批量地送回来。 本应用指南介绍了Pierce振荡器的基本知识，并提供一些指导作法来帮助用户如何规划一个好的振荡器设计，如何确定不同的外部器件的具体参数以及如何为振荡器设计一个良好的印刷电路板。 在本应用指南的结尾处，有一个简易的晶振及外围器件选型指南，其中为STM32推荐了一些晶振型号(针对HSE及LSE)，可以帮助用户快速上手。

设计了一种频率稳定的低功耗张弛振荡器电路。采用恒流源对电容两端同时充电和放电，然后将电容两端电压送入后级比较器进行判决，使得输出频率只与恒流源电流、电容以及比较器比较窗口相关。该电路采用GSMC 0.18 μm CMOS工艺，在5 V电源电压以及室温条件下仿真，输出频率为123.6 kHz，平均电流消耗为2.67 μA；在2 V～5.5 V电源电压和-40 ℃~+85 ℃的温度变化范围内，输出频率精度在-6.5%~1.3%范围内。

石英晶体振荡器有并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器两类。 并联型晶体振荡器中，石英晶体以并联谐振的形式出现，起电感作用。 串联型晶体振荡器中，石英晶体以串联谐振的形式出现，起电阻作用 石英振荡器电路实例 石英晶体振荡器是利用石英晶体压电效应制成的一种谐振器件；图3是其等效电路，Lq，Cq为晶片振动时的等效动态电感和电容，Rq等效为晶片振动时的摩擦损耗，C0为静态电容。石英晶体有两个谐振频率。串联上支路发生串联谐振时的频率： 由于C0很小，谐振等效阻抗近似为Rq，呈纯阻性，其阻值很小。当频率高于fs小于fp时。串联上支路呈感性，并与C0发生并联谐振，其谐振频率： 式中C为C0和Cq串联后的电容。 由上述分析；石英晶体工作在略高于呈感性的频段内，用来作为三点式电路中的回路电感，构成并联晶体振荡器；工作在fs上，等效为串联谐振电路，构成串联晶体振荡器。设计并联型石英晶体振荡器如图4所示 振荡电路的选频网络由石英晶体和C3，C4组成。振荡频率可表示为： 振荡频率基本由晶体固有频率决定，与C’的关系很小，即由电容C1，C2不稳定而引起的频率漂移很小，振荡频率稳定

本文给大家分享了电感反馈振荡器电路设计。