低功耗晶振电路设计

晶振电路设计

晶振中负性阻抗的原理

• 晶振的回路主要由两部分组成， 一部分是激活分支， 用于提供能量给晶振启动直至达到稳定的相位，另一部分是被动分支， 主要由电阻， 两个外部负载电容以及所有的寄生电容， 如下图：
  
  为了确保晶振启动及稳定地工作， 需要确保晶振回路中的负性阻抗是晶振最大等效串联电阻ESR的3倍以上， 如果是高速晶振，需要确保是5倍以上。
• 晶振的安全系数公式如下：
  
• 如何测量晶振的负性阻抗， 通过如下的电路图，缓慢增大R(ADD)电阻，观察晶振的工作状态， 直到晶振无法正常启动， 此时R(ADD)的电阻值就是电路中的负性阻抗。
  

电路设计

本文主要参考st的晶振设计指导手册：oscillator-design-guide-for-stm8af-al-s-stm32-mcus-and-mpus-stmicroelectronics.pdf
以下是经典的皮尔斯晶振电路：

关于晶振负载电容的计算公式：

比如说：晶振的负载电容CL为15pf， 杂散电容 Cs为5pf，
那么晶振的外部负载电容如下计算：

晶振的跨导

• 跨导类似于电导，电导是电阻的倒数，跨导也可以定义为微分电导， 表达式为 ∆I / ∆v。
• 为了确保晶振稳定启动和运行，芯片的共振器一定要提供足够的能量。 有两种办法可以确认st芯片的振荡器是否与电路匹配。
  1. 需要计算晶振回路中的临界跨导，DT-26晶振的数据参数：
     
     为此我们需要从晶振的手册里面获取等效串联电阻ESR的大小， 也就是40k欧姆， 我们假设寄生电容C0为1.1pf，晶振的额定负载电容CL为12.5pf，则计算如下， 也即是为1.253ua/v., 注意： 一般高速晶振的临界跨导为ma/v， 低速晶振的临界跨导为ua/v。
     
     2. 在stm32的产品中，有的产品会指出晶振回路中能提供的最大临界跨导G(m_crit_max)。 我们可以通过LSEDRV来配置不同的驱动等级，以此来获得不同的驱动能力，而我们需要做的就是计算回路中晶振的临界跨导g(mcrit)，并通过配置LSEDRV来保证G(m_crit_max)大于g(mcrit)。 如上计算， 在该例子当中，我们就需要选择LSEDRV[1:0] = 10驱动等级，也就是芯片的最大临界跨导为1.7ua/v。
     
     stm32 LSE晶振的不同驱动水平的参数特性：
     
     STM32中各个系列内嵌的振荡器， 其对应的参数指标：
     
     不同的驱动水平对应的不同的晶振负载图， 没有功率节约需求的话， 一般建议使用大负载晶振的， 以此来降低牵引度。

3. 在st的一部分产品中，如F103，会在手册中指明芯片支持的固定的晶振跨导g(m), 而我们需要做的就是计算晶振的临界跨导g(mcrit)，然后， 计算极限增益 gain = g(m)/g(mcrit)， 要确保该增益大于5倍， 晶振才能够稳定运行， 计算如下：

如何使晶振的功耗更低

• 选择负载电阻更小的晶振， 搭配相对应的负载电容也更小， 整体的功耗就能降低， 但是低负载电阻的晶振的价格更贵一些。
• 电容的大小同时也会影响晶振的频率精度。

如何选择一个STM32兼容的晶振

1. 选择支持fundamental mode的晶振， 而不是支持overtone modes。

2. 确定芯片支持的晶振跨导或者芯片的最大临界跨导。

3. 计算晶振的外部负载电容。

4. 计算晶振的负性阻抗以及安全系数。 有些晶振厂商会配对好， 如果配对好的话， 就可以跳过2和3步骤。如果负性阻抗不满足条件的话， 更换ESR较小的晶振，以减小RL 或者 适当减小Ci（Cg）和增加Co（Cd），以减小RL。 以下公式有待进一步考证， 来源于
   High-Performance Crystal Oscillator Circuits: Theory and Application这篇论文。
   

5. 计算激励功率，使其小于晶振的最大额定功率，避免晶振损坏。

6. 计算晶振的PPM精度范围， 具体公式如下：
   

如何用示波器测量波形

无源晶振内部核心部件为石英晶片，通过电极连接至晶振管脚，石英晶片没有极性，因此晶振两端的信号一样，频率相等，波型为正弦波。如果上电实测无源晶振两端信号存在差异，如频率或波形不完全等同，属于正常现象，可归因于所测引脚可能受到内部放大电路或周边杂散电容影响所致。
由于晶振对电容负载较为敏感，示波器探头如果设置在x1档位，电容较大。因此，我们需要对示波器的探头进行配置。将探头调整到x10档位， 此时探头的电容会更小，对信号敏感的电路， 影响也较小。

• 如果测量的是晶振波形， 要将探头的耦合方式选择交流模式。
• 将探头配置为x10档位，示波器有 x1和x10两种档位，其中x1为不衰减状态，x10为衰减10倍状态。如果选择了x10档位，示波器上的刻度值需要乘以10才能得到真实的电压值。例如，如果示波器上显示的是2V刻度，实际测量值则为20V。
• 对探头进行电容补偿， 此时需要使用电容补偿棒调节探头的补偿电容值，补偿大致如下：
  

如何保证芯片输出功率不会损伤晶振

驱动水平DL是在晶体中耗散的功率， 因此必须要做限制， 否则石英晶体会工作失败，因为过度的机械振动。 正常来说， 厂商会对该值进行说明， 如DT-26这个型号， 其激励功率就是1uw， 最大2uw， 如果超出这个值就会导致晶振毁坏或者老化加剧。
有两种办法可以用来计算晶振的激励功率：

• DL = ESR x (IQ)^2， IQ表示通过晶振电流的有效值， 通过示波器如下测量电流 ，如果过大的话， 则需要增加Rext电阻进行限流， 测量电流的话，晶振引脚空间小，不好操作。
  
• 因为 IQ(RMS) = 2 π F x VRMS x Ctot, 所以，计算激励功率的办法也可以通过电压来计算，我们需要通过示波器测量晶振引脚的电压， 并获取到电压的峰峰值， 还需要知道示波器探头的电容Cprobe, 以及晶振的外部负载电容CL1， 公式如下：
  
  
  我们假设CL1为15pf， Cs为5pf， Cprobe为 10pf（补偿范围是 10pf到25pf）， 假设Cprobe最差为35pf，晶振的等效电阻为40K欧姆，Vpp为0.6v， 带入上述公式可得如下, 激励功率为DL = 0.21uw， 从厂商的手册可知， DT-26的晶振的额定功率为1uw， 因此，该功率不会损伤晶振。
  

关于晶振PCB设计建议

• 外部杂散电容和电感要控制在一个尽可能小的范围内，从而避免晶振进入非正常工作模式或 引起起振不正常等问题。另外，振荡器电路旁边要避免有高频信号经过。
• 晶振的走线长度越短越好， 长度相等更好， 晶振的引脚尽可能靠近芯片，
• 接地平面用于信号隔离和减少噪声。例如：在晶振的保护环(译注：(Guard ring)，指器件或 走线外围成一圈用于屏蔽干扰的导线环，一般要求理论上没有电流从该导线环上经过)下直 接敷地有助于将晶振和来自其他PCB层的噪声隔离开来。要注意接地平面要紧临晶振但只限 于晶振下面，而不要将此接地平面敷满整个PCB板。
• 像图7所示来布地线是一个好的作法。这种布线方法将振荡器的输入与输出隔离开来，同时 也将振荡器和临近的电路隔离开来。所有的VSS过孔不是直接连到地平面上(除晶振焊盘之 外)，就是连接到终端在CL1和CL2下方的地线上。
• 在每一对VDD与VSS端口上连接去藕电容来平滑噪声。
  
  

ST芯片公司可供参考的晶振选型

st的芯片设计手册中都会提供对应的晶振型号以供用户参考。