深入讲解一下晶振电路中的电阻的作用

在实际的产品设计时，针对晶振部分的电路，你会发现会有下面2种电路，图1电路中，没有1M的电阻；图2电路中，晶振会并联一个1M的电阻。

对于晶振电路您可以会产生下面的疑问：

1M电阻具体是什么作用呢？

为什么有的时候有，有的时候没有？

为什么电阻的阻值是1M，而不是其他阻值？

带着这些疑问，本文我们深入讲解一下晶振电路中的电阻的作用。

一：皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）

普通石英晶振可以正常起振的原理是：芯片内部电路与外部晶振和匹配电容组成皮尔斯振荡器电路，如下图3所示。

图3

皮尔斯振荡器因为组成电路比较简单（一个反相器、一个电阻、晶体振荡器、2个电容），并且工作时比较稳定而被广泛应用在几乎所有的数字IC的时钟电路中。

本文中讲述一下该电路工作稳定的两个条件：

在所需的振荡频率下，环路增益的乘积必须等于或大于1。

环路周围的相移必须为零或 2π(360°) 的任何整数倍。

如下图4所示;

图 4

如果 U1 提供 -180° 相移，则其余外部组件需要额外的 -180° 才能满足标准。相移将自动调整为围绕环路精确的 360°，以保持振荡。

如果 U1 提供 -185° 相移，则其余组件将在正常工作的设计中自动提供 -175° 相移。

二：反馈电阻Rf作用

Rf是反馈电阻，它使反相器U1工作在线性放大区。

图5

反馈电阻连接在 U1的Vin 和 Vout 之间，以便将放大器偏置在 Vout = Vin 并迫使其在线性区域，即图5中阴影区域内。

实际上反相器电路中许多电路不加这个电阻也能起振，因为一般的电路都有扰动信号，但有个别的反相门电路不加这个电阻就不能起振，因为扰动信号强度不够。

在低温环境下振荡电路阻抗也会发生变化，当阻抗增加到一定程度时，晶振就会发生起振困难或不起振现象。

如果您的产品出现了低温情况晶振不起振或者低温时MCU运行不正常的情况（有的芯片外部振荡电路不起振时可能会自动切换为内部晶振）。

这时，我们就需要检查Rf这个电阻是否正确。阻值是否合理？是否应该接Rf实际没有接？

三：Rf的取值

Rf电阻的阻值选择满足如下的要求：

图6

四：Rf的有无？

现在很多芯片的反馈电阻Rf已经集成到芯片内部，如STM32的晶振电路的框图如下方的图7所示

图7

如果通过查询芯片手册并不能知道内部是否集成了Rf，可以通过如下方式进行测量：

在未连接外部元件（C1、C2 和 X1）的情况下，测量反相器的输入和输出的电压：

如果芯片内部集成了反馈电阻，那么测量的输入和输出引脚的电压将在 Vcc/2 左右；

如果芯片内部没有集成反馈电阻，则反相器将被锁存，输入和输出将处于逻辑“1”或逻辑“0”状态；即图5中的非阴影区域。

审核编辑：刘清