用硅振荡器代替晶体和陶瓷谐振器

硅振荡器可以取代大多数微控制器（μC）时钟电路中的晶体和陶瓷谐振器器件。除了抗振动、冲击和抗EMI的优点外，硅基定时器件比晶体或陶瓷谐振器更小、更易于使用。本应用笔记说明了如何用硅振荡器器件代替常见的晶体和陶瓷谐振器时钟电路。

介绍

硅振荡器是一种简单有效的解决方案，可满足大多数微控制器 （μC） 时钟需求。与基于晶体和陶瓷谐振器的振荡器不同，硅基定时器件对振动、冲击和电磁干扰 （EMI） 效应相对不敏感。此外，硅振荡器不需要仔细匹配定时元件或电路板布局。

除了应用中的任何环境考虑因素外，时钟源的选择标准通常取决于四个基本参数：精度、电源电压、尺寸和噪声。精度要求通常由为应用定义的通信标准确定。例如，高速USB要求总时钟精度为±0.25%。相比之下，没有外部通信的系统可以很好地运行，时钟源精度为5%、10%甚至20%。

硅振荡器与晶体或陶瓷谐振器的比较

微控制器时钟电源电压范围通常为 1V 至 5.5V。硅振荡器的电源电压通常为2.4V至5.5V。

时钟噪声受多种来源影响，包括放大器噪声、电源噪声、电路板布局和振荡元件的固有噪声抑制（或“Q”）特性。凭借其高Q值，晶体通常产生噪声最低的振荡器电路，使其特别适合需要低基带噪声的系统，如音频编解码器。

然而，硅振荡器通常占用最小的空间，不需要额外的定时元件。通常，电源旁路电容器是大多数硅振荡器所需的唯一外部元件。

皮尔斯振荡器

基于晶体和陶瓷谐振器的振荡器通常实现为皮尔斯振荡器，其中晶体或谐振器用作反相放大器反馈中的调谐元件。为了在这种设计中稳定工作，相移补偿和增益控制由额外的电容器和电阻器提供。此外，电阻器提供防止过驱所需的阻尼，过驱动可能会永久损坏晶体或谐振器。

图1显示了两个皮尔斯振荡器示例。图1a是使用外部电容和电阻的典型晶体振荡器电路。图1b显示了使用集成补偿电容的三端陶瓷谐振器的皮尔斯振荡器。每种设计的元件值取决于工作频率、电源电压、逆变器类型、元件类型（晶体或谐振器）和制造商。

图1.晶体和三端陶瓷谐振器皮尔斯振荡器。

皮尔斯振荡器最常见的实现方式是使用CMOS反相栅极作为放大器。虽然通常不如基于晶体管的振荡器稳定且功耗更高，但基于CMOS逆变器的设计简单且在各种条件下都非常有用。虽然缓冲和非缓冲逆变器都可用于放大器元件，但无缓冲逆变器是首选，因为它们产生更稳定的振荡器，尽管功耗增加。无缓冲栅极没有强大的输出级，因此必须由标准逆变器缓冲，以驱动长电路板走线。

硅振荡器的优势

最简单的时钟源由独立的振荡器器件提供，例如硅振荡器。这些器件在指定频率下产生方波，直接施加于μC时钟输入。硅振荡器不依靠机械谐振特性来得出振荡频率;它们使用内部 RC 时间常数。这种设计使硅基器件相对不受外部机械影响。此外，由于缺少裸露的高阻抗节点，例如传统振荡器中的节点，使得硅振荡器对湿度和EMI效应的耐受性更高。

替代硅振荡器

用硅振荡器代替晶体或谐振器器件时，首先丢弃与振荡器电路相关的任何元件。这通常涉及移除一个或两个电阻器和两个电容器（如果谐振器封装中未包含这些电阻和电容器）。然后，可以将振荡器放置在方便的位置，并将时钟输出连接到μC时钟输入（OSC1）引脚。振荡器器件的电源应与μC时钟输入电路的电源相同。

图2和图3显示了MC68HC908 μC的振荡器电路。 图2显示了三端陶瓷谐振器的推荐电路。图3所示电路采用硅振荡器，本例中为MAX7375，采用SC70封装，尺寸仅为2.0mm x 2.1mm，包括引线。

图2.MC68HC908 μC，内置基于三端谐振器的小型振荡器。

图3.MC68HC908 μC，采用MAX7375硅振荡器。

硅振荡器的电路板放置通常并不重要，因为这些器件输出低阻抗方波，可以在合理的距离内传输，而不必担心来自其他信号的干扰。硅振荡器还将驱动多个时钟目的地。与任何高速信号一样，时钟输出在驱动长走线长度时会产生电磁辐射。通过将电阻与每个时钟信号串联并在时钟发生器引脚附近放置一个电阻，可以将这些辐射降至最低。图4显示了MAX7375驱动两个时钟目的地，每个时钟目的地都有电阻。

图4.串联电阻器可最大限度地减少电磁辐射。

审核编辑：郭婷