晶体振荡电路的应用

Posted 2020-07-31 Kevin_Hwang

　　几乎所有的数字时间电路都用到了晶体，以下简述晶体工作原理和应用注意事项。

在芯片如何产生时钟？pin定义有XTAL_IN和XTAL_OUT，其实内部可以等效成一个反相器分析。把反相器进一步等效，可以转化成模拟电路中的振荡三点式。

起振条件和平衡可以参考大学的模拟电子教材。至于起振后的幅度，我找了比较多的书籍都没有详细分析，都是一笔带过或者略。

 

对于晶体选型，一般考虑“负载电容”、“工作温度范围”和“频率精度”。在工艺上，频率越高的晶体，封装越小。在工业级别的应用，还应该考虑“老化度”。

上图负载电容CL =  C1//C2 + CIN。CIN为芯片内部容值和pcb走线，应该参考芯片规格书估算CIN确认C1和C2，一般情况C1=C2。

在LAYOUT中，晶体应该注意避免摆放在温度变化较大的位置，避免频偏，同时远离干扰源。在4pin封装中，最好把外壳角接地，防止EMI问题。

 

以下实测一个SOC的晶体波形。

XTAL_IN的波形如下图：

 

XTAL_OUT的波形如下图：

可以看出XTAL_IN的波形幅度较小，不失真。XTAL_OUT的波形幅度较大，失真。

原因是反相器/晶体管是非线性器件放大产生失真，XTAL_IN经过晶体和电容反馈选频后得到一个不失真的波形。

假设电路A需要用到晶体谐振的频率时，可以把XTAL_IN/XTAL_OUT作为电路A的时钟输入。

1：当电路A的时钟pin输入阻抗较大，可以直接接XTAL_IN输出给A，但保守做法是在XTAL_IN上加缓冲器；

2：当电路A的时钟不要求严格的正弦波时，可以直接接XTAL_OUT输出给A。