晶振的频率误差,负载电容,匹配电容及IC内置补偿电容

晶振能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须要的时钟频率信号,CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的,时钟信号频率越高,通常CPU的运行速度也就越快。需要注意的几个晶振重要参数如下:

标称频率

在1~200MHz之间,比如32.768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等,更高的输出频率也常用PLL(锁相环)将低频进行倍频至1GHz以上,被称之为标称频率。

频率误差(Frequency Tolerance)或频率稳定度(Frequency Stability)

单位ppm,即百万分之一(parts per million)(1/10^6),是相对标称频率的变化量,此值越小表示精度越高。

比如:

晶振精度是指频率偏移对标准频率的比值。

晶振标称频率:13.000000MHz

实测晶振实际频率:12.999890MHz

晶振精度 = (12.999890 – 13.000000)/13.000000 = -0.000008 = -8 x 10(^6)= -8 PPM

温度频差(Frequency Stability vs Temp)

表示在特定温度范围内,工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离,它的单位也是ppm。

负载电容CL(Load capacitance)

负载电容是电路中跨接晶体两端的总的有效电容(不是晶振外接的匹配电容),主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,与晶振一起决定振荡器电路的工作频率,通过调整负载电容,就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。更准确而言,无源晶振的负载电容是一项非常重要的参数,因为无源晶体属于被动元器件,即自身不能工作,需要外部元器件协助才能工作的电子元件。

无源晶振的负载电容是一个非常重要的参数。晶振两端的等效电容与晶振标称的负载电容匹配不正确,晶振输出的谐振频率将与标称工作的工作频率会产生一定偏差(又称之为频偏),负载电容(load capacitance)主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,它与石英谐振器(无源晶振)一起决定振荡器的工作频率,通过调整负载电容,一般可以将振荡器的工作频率调到靠近标称值。

在无源晶振应用时,我们一般外接电容是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容,对于要求高的场合还要考虑IC输入端的对地电容,这样便可以使得晶振工作的频率靠近标称频率。合理匹配合适的外加电容使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容十分重要和关键。

无源晶振的负载电容CL常用的标准值有9pF,12.5 pF,18 pF,20 pF,负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的,负载电容变小时,频率偏差量变大;负载电容提高时,频率偏差减小。

晶振的频率误差,负载电容,匹配电容及IC内置补偿电容
(晶振负载电容和频率的误差的关系图)

 

晶振的频率误差,负载电容,匹配电容及IC内置补偿电容

 

其中:

CS为晶体两个管脚之间的寄生电容(又名晶振静态电容或Shunt Capacitance),在晶体的规格书上可以找到具体值,一般0.2pF~8pF不等。如图二是某32.768KHz的电气参数,其寄生电容典型值是0.85pF(在表格中采用的是Co)。

CG指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容,其容值为以下三个部分的和。

● 需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容 Ci

● 晶体震荡电路PCB走线到到GND的寄生电容CPCB

● 电路上外增加的并联到GND的外匹配电容 CL1

CD指的是晶体振荡电路输入管脚到GND的总电容。容值为以下三个部分的和。

● 需加外晶振主芯片管脚芯到GND的寄生电容, Co

● 晶体震荡电路PCB走线到到gnd的寄生电容,CPCB

● 电路上外增加的并联到GND的外匹配电容, CL2

注:

现在有很多芯片内部已经增加了补偿电容(internal capacitance),所以在设计时,只需要选按照芯片datasheet推荐的负载电容值的选择无源晶振即可,不需要额外再加电容。但是因为实际设计的寄生电路的不确定性,最好还是预留CL1/CL2的位置。

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