硅振荡器取代晶体和陶瓷谐振器

摘要：硅振荡器能够替代大多数微控制器电路中的晶体和陶瓷谐振器。除了其抗振动、抗冲击及抗EMI等优点外，硅定时器件比晶体和陶瓷谐振器更小且更容易使用。该应用笔记详细介绍了如何用硅振荡器件代替普通的晶体和陶瓷谐振器。

引言

对于大多数微控制器的时钟要求而言，硅振荡器是一种简单而有效的解决方案。与晶体和陶瓷谐振器不同的是，硅定时器件对于振动、冲击和电磁干扰(EMI不敏感。此外，硅振荡器不需要精心匹配定时元件或严格的电路板布线。

在实际应用中，除了一些环境因素外，时钟源的选择标准通常依据四个基本条件：精度、供电电压、尺寸和噪声。精度需求通常取决于特定应用所采用的通信标准。例如，高速USB需要±0.25%的总体时钟精度。相比之下，无需外部通信的系统可能只需5%、10%、甚至20%的时钟源精度便能很好地工作。

硅振荡器与晶体或陶瓷谐振器的比较

微控制器时钟的供电电压典型范围是1V至5.5V，而硅振荡器典型的供电电压范围为2.4V至5.5V。

时钟噪声受许多因素的影响，包括放大器的噪声、电源噪声、线路板布线、以及振荡元件固有的噪声抑制特性等(或品质因数“Q”）。晶体的Q值很高，一般而言产生的噪声最小，特别适合用于要求低基带噪声的系统中，例如音频CODEC。

然而，硅振荡器占据的空间最小，而且不需要附加的定时元件。对于大多数硅振荡器来说，所需的外部元件通常只有一个电源旁路电容。

皮尔斯振荡器

晶体和陶瓷谐振器大多被用在皮尔斯振荡器中，其中晶体或谐振器作为调谐元件用在反相放大器的反馈中。为了使电路稳定，需要另加电容和电阻来进行相移补偿和增益控制。此外，还须用电阻提供一定的阻尼，以防过驱动造成晶体或谐振器永久损坏。

图1给出了两个皮尔斯振荡器的实例。图1a是一个典型的晶体振荡电路，使用外部电容和电阻。图1b则是一个基于三端陶瓷谐振器的皮尔斯振荡器，陶瓷谐振器中集成了补偿电容。这些设计中的每一个元件的值与工作频率、供电电压、反相器的类型、元件类型(晶体或谐振器)以及制造商有关。


图1. 采用晶体和三端陶瓷谐振器的皮尔斯振荡器

皮尔斯振荡器最常见的实现方法是用一个CMOS非门做为放大器。虽然这种方案的稳定性和功耗性能通常比不上基于晶体管的振荡器，但是，基于CMOS反相器的电路比较简单，而且在许多情况下非常实用。带缓冲和无缓冲反相器都能用于放大元件，其中首选无缓冲的反相器，因为它们工作得更稳定，虽然也伴随着功耗的增加。无缓冲门没有强大的输出级，所以要驱动电路板上的长走线时必须使用标准反相器加以缓冲。

硅振荡器的优点

硅振荡器，这种完全集成的振荡元件是最简单的时钟源。这些器件可产生规定频率的方波，可直接送入微控制器(µC)的时钟输入。硅振荡器并不依赖于机械共振特性来获得振荡频率，而是基于一个内部的RC时间常数。这样的设计使硅器件对于外部机械作用不敏感。而且，与传统振荡器不同的是，没有裸露在外的高阻抗节点，这样使硅振荡器可以承受更大的湿度和EMI影响。

硅振荡器的应用

如果用硅振荡器代替晶体或陶瓷谐振器，首先可以去掉和振荡电路相关的所有元件。这通常包括一到两个电阻和两个电容(如果它们未被包含在谐振器封装内）。振荡器可以安装在适当的位置，然后将其时钟输出引到微控制器(µC)时钟输入(OSC1)引脚。振荡器的电源应该来自于驱动µC时钟输入电路的电源。

图2和图3给出了这种设计的一个实例，其中显示的是用于MC68HC908 µC的振荡电路。图2为推荐电路，三端陶瓷谐振器。图3为采用硅振荡器的电路，本例采用MAX7375，SC70封装，包括引脚在内的外形尺寸仅为2.0mm x 2.1mm。


图2. MC68HC908 µC采用基于三端谐振器的振荡器


图3. MC68HC908 µC采用MAX7375硅振荡器

硅振荡器在电路板上的布局通常没有很高的要求，因为这种器件输出的是低阻抗方波，它能够在电路板上传送足够的距离，且无须顾虑其他信号对它的干扰。硅振荡器能够驱动多个器件。和任何其他高速信号一样，硅振荡器的时钟输出在驱动长导线时会产生电磁辐射。靠近时钟发生器的引脚，在每路时钟信号上串连一个电阻可以降低这种辐射。如图4所示，MAX7375驱动两路时钟电路时，每条时钟线上都串入了一个电阻。


图4. 串联电阻减小电磁辐射