采用晶体外加无缓冲反相器组成晶振,设计成本降低

1.晶体和晶振

通常，我们会将“晶体”（Crystal）和“晶振”（Oscillator）都叫成“晶振”，这种叫法并不恰当。

无源晶体是有两个引脚的无极性元件，如图1（a）。正常工作时，需要借助外部电路产生振荡信号，自身并不需要单独外加电源。

图1 晶体和晶振

而有源晶振一般有四个引脚，如图1（b），其内部集成石英晶体、晶体管、电阻电容等元件。晶振是一个完整的振荡器，只需要外加适当电源就能正常工作，无需其他外加电路。

2.成本分析

在设计时，工程师要尽可能的降低设计成本，从表1中看出这种晶体转晶振的电路可以使晶振的成本降低60%。

3.晶体变晶振

采用晶体外加无缓冲反相器等元件组成晶振电路，原理及元件如图2。

图2 无缓冲反相器和晶体组成的晶振电路

电路中电阻和电容的选择取决于反向器增益、频率稳定性、功耗、晶体特性和启动时间等，推荐参数如表2。

U1：增加U1B主要是为了增大输出能力。无缓冲反相器的型号可以选择NXP、ON、TI等厂家的双反相器芯片。

RF：反向器的反馈电阻，它将反向器偏置在线性区域内。选择的RF值需要足够大，以便反向器的输入阻抗可以与晶体匹配。通常情况下，选择的值在1MΩ与10MΩ之间。

RS：将反向器的输出与晶体隔离开来，防止寄生高频振荡，以便获得良好的波形。通过选择大约等于容抗的值（RS≈XC2）可以获得可以接受的结果。

C1、C2：选择C1和C2的值时，要使C1和C2的并联值等于晶体数据表中指定的建议负载电容 （CL）。另外，电容的选择还关系到晶振的启动时间、相移、谐振频率等。

4.参数测试

测试电路时，我们选用了三种不同频率的晶体（见表3）和三个厂家的无缓冲反相器进行组合测试，测试结果见表4。

频率：由晶振的调整频差（25℃±2℃）可以知道，晶体频率在其容忍频率范围内变动是允许的。表4中的测试频率均在允许范围内，并且变动范围较小。

占空比： 数字系统对占空比要求并不严格，如果用在精确占空比的场合，用户需要对该参数进行筛选和测试。

启动时间：使用示波器的电平触发功能，测量从系统上电到输出稳定波形的时间。

高低温测试：根据晶体的工作温度，分别测试和记录了电路在85℃、70℃、50℃、25℃、0℃、-20℃、-40℃下的输出频率、占空比等参数，晶振均能顺利启振并参数正常。由于数据较多，篇幅有限，这里就不再列举。

5.结论

利用无源晶体的有源晶振不仅技术上可行，而且可以降低成本。

6.应用场合

TI在2011年针对工业控制领域推出了低成本，高性能的Cortex-A8内核AM335x系列处理器，致远电子采用AM335x处理器，推出了采用邮票孔封装的M3352_YP核心板以满足客户高稳定性的需求。

图3 M3352 邮票孔核心板

当客户M3352_YP做外围电路时，如需要使用百兆以太网功能，需要外加PHY电路，PHY芯片通常可以选择DSZ8041或者DP83848，在使用RMII接口时，无论选择何种型号的PHY芯片，都需要为PHY芯片提供一路50MHz的CLK信号。为了降低成本可以采用50.000M晶体+NL27WZU04的方式为PHY提供50.000M的时钟源。

图4 无源晶体做有源晶振典型应用电路