STM32 外部晶振电路设计和匹配

STM32的时钟源

STM32F103有两种主时钟方案，一个是依靠内部RC振荡器的HSI（内部高速时钟），另一个是HSE（外部高速时钟）。

内部高速时钟源（HSI）

看数据手册，内部的HSI是由ST出厂时校准过的，但是精度并不高，在0到70℃下误差范围达到 -1.3%到2%，即便是在标准的25℃下，也有 -1.1%到1.8% 的误差（如下图）。
对于高波特率的异步串口通讯，或者需要高精度定时的场合（如：需要跑积分算法的时候），用HSI就有隐患，甚至根本达不到设计要求。

外部高速时钟源（HSE）

为了更高的时钟精度，就要用HSE做主时钟源，起码做到30ppm还是很容易的。无源晶振相对便宜一些，要求不是非常高的话也足够了。
对于外部无源晶振，需要做一些匹配工作。当然，直接baidu一个原理图，啥也不想，直接照着抄也可以运行。但是这样的设计，批量生产会不会出问题？某些特定环境下会不会崩溃？系统稳定性会不会很低？……都是未知数。这就是给自己的设计埋下隐患，说不定什么时候就崩了。
所以还是来看看怎么匹配吧–
就以 STM32F103 和 晶技HC-49SMD 8M 20pF 20ppm 的匹配为例

1. 负载电容匹配

负载电容就是下图中的CL1、CL2，一般取CL1 = CL2，这两个电容和晶体Q构成三点式电容振荡器。

那么要把CL1、CL2跟谁匹配呢？其实就是跟晶振的参数：Load Capacitance匹配，简称CL，从晶振的数据手册可以查到，见下图：

我们选择的是20pF系列的晶振，所以CL = 20pF
当然我们知道，在电路板走线上还有寄生电容，连接的芯片输入端也有等效电容，这部分也要考虑进去。从ST手册可以查到，STM32F103的晶振输入电容是5pF，而PCB走线的寄生电容一般可以估值3pF到5pF。我们这里就取Cs = 10pF。下面看公式：

由于我们取了CL1 = CL2，公式就可以变为：CL1 = CL2 = 2 * （CL - Cs）
把Cs = 10pF，CL = 20pF带入上面的公式，能求出：CL1 = CL2 = 20pF
因此CL1、CL2均取为20pF。

2. 晶振跨导计算

为了确保晶振能顺利起振，并运行在稳定状态，就得有足够的增益来维持。一般要求就是，单片机的gm比晶振的gmcrit大5倍以上就可以。下面就求一下这个比值，看看是否大于5倍。
首先看STM32F103手册，可以直接获知：gm = 25mA/V

有了gm = 25mA/V，就要用它跟晶振的最小稳定跨导gmcrit相比较。gmcrit是要我们计算一下的：

这里面的几个未知参数的意义是：
ESR——晶振的等效串联电阻，手册里查到
F——晶振的振荡频率
C0——晶振的Shunt Capacitance
CL——晶振的负载电容Load Capacitance

好，下面看晶振的手册，找这几个参数：

F = 8MHz，C0 = 7pF，CL = 20pF，ESR = 80Ω。参数Get√，计算：
gmcrit = 4*80*(2Π*8*10^6)^2*(7*10^-12 + 20*10^-12)^2
gmcrit = 0.1886
现在gm、gmcrit都有了，可以比一下了

比值 = gm/gmcrit = 25/0.1886 = 132
可见，这个比值是132，远大于5倍的最低要求，所以我们选择的晶振是合适的。如果算出来是不合适的，那就要选用更小ESR，更低CL的晶振。其实STM32对于高速晶振的要求不高，但是对于外部低速RTC晶振的要求高一些，选型时要多加留意。

3. 驱动电平DL（Drive Level）

驱动电平其实就是指晶振工作消耗的功率，如果这个功率过大，超过晶振承受能力，则晶振寿命将减少，容易过早失效。晶振的推荐功率，可以在上图（晶振数据手册）中找到，我们选择的这个晶振的DL范围是1到500uW，推荐是100uW。如果实际工作功率过大，就串联一个Rext来限制功耗。实际功耗怎么获得？这个得自己用示波器测量，然后带入ESR计算出来。

4. 反馈电阻Rf （Feedback Resistance）

把这个放最后，其实不是因为他没啥用，而是因为ST已经把他集成到芯片里面了，我们不用太多关心这个问题了。这个Rf的作用就是让放大器Vin = Vout，来强制工作在放大区间

总结

以上写的4项，对于STM32F103的高速外部晶振，其实主要考虑“1.负载电容计算”就可以了，这个是直接性影响最大的。

如有前辈偶然看到我的博客，还望指出我的疏漏和错误⊙ω⊙

参考：ST应用手册AN2867

原创博客，转载注：CSDN:Seaman_TY