为什么将晶体电容器视为串联的?


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我正在尝试为MCU的时钟选择一个晶体和电容器,据我了解,我的晶体需要30pF的负载电容(数据手册中已指定)才能正常工作。我这样做的方式是:

原理图

模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图

但是,每个人都告诉我我应该这样做:

原理图

模拟该电路

因为电容器以某种方式是串联的。这对我来说意义非零:我要再使用一个电容器,而右侧的电容器紧邻逆变器的低阻抗输出,因此我只是看不到它串联。另外,我的设计使用的电容器少了一个。我想念什么?

Answers:


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负载电容有两个方面。晶体看到的是晶体两端之间的电容。通常,振荡器电路在晶体的一端与地面之间需要一些电容,但这对晶体的重要性较小。

如果晶体的两端以完美的反相方式上下移动,并且根据振幅的反比确定两个负载电容器的大小,那么从一个电容器流入地的电流将与从地流入电流的精确匹配。另一个电容器,这样,如果一个接地断开但电容器彼此连接,电路操作将不会受到影响。在那种情况下,很明显为什么电容的串联值很重要,因为所涉及的唯一电容将是串联的两个电容器。

实际上,晶体的两端不会相隔180度左右的振荡,电容器的大小也无法匹配振幅比,因此电容中的接地电流很小,但通常仅占电容器的一小部分。总上限电流,因此主要行为仍然是串联的两个上限。


为什么通过C2的电流根本不重要?逆变器不应该能够提供此电流吗?
FrancoVS 2015年

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@FrancoVS:在振荡器电路中,逆变器将被设计为具有非常有限的输出电流。如果逆变器不受此限制,则有必要串联一个电阻。使用具有大电流输出的逆变器,并且没有电阻器可能会导致晶体过早失效。
2015年

嗯,这说明了系列的事情。但是,为什么不对整个晶体使用一个30pF的电容呢?
FrancoVS

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@FrancoVS:如果没有任何接地电容,并且逆变器具有一定范围的输入电压,这既不会导致输出流到源极电流,也不会吸收电流,那么只要输入处于这样的电压,晶体的两端就会浮空。一个人可能可以将一个电容与晶体平行放置,并在其一端将另一个电容接地,但是以通常的方式使用一对尺寸合适的电容器会更有效。
2015年

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旋转该原理图可以说明为什么您可以考虑将晶体两端的电容解释为串联。负载是跨XTAL而不是相对于地面测量的

原理图

模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图


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确实,但这还取决于放大器的连接位置。但是OP发表的是Pierce振荡器 ; 有关更详细的计算,请参见第5页。3,但可以像您所说的那样近似。
Fizz

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的确,您可以在古老的应用笔记/数据手册中找到的沼泽标准皮尔斯振荡器设计使用了相等的电容器:

在此处输入图片说明

但这并不是唯一可行的方法,尽管我看到左边的而不是右边的是被忽略的:

在此处输入图片说明

您并不是在说您要定位的频率...或您正在使用的放大器/芯片。所有这一切都不要紧,如果你想设计自己的,而不是遵循一些食谱建议。

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甚至更简单的设计方法也至少需要考虑所使用放大器的输入和输出电容:

在此处输入图片说明

如果仅在xtal的一侧放置一个大电容,而在另一侧,则您的放大器的输入(或输出)电容只有一个小得多的电容,那么总(串联)电容将是多少?这可能是不可预测的,并且由小电容决定。

隔离xtal以防止其看到小电容是提高其稳定性的一种方法(据我所知,尽管很少使用后一种方案)。

在此处输入图片说明

回到第一个应用笔记:

振荡器设计充其量是不完美的艺术。理论和实验设计技术应结合使用。

因此,请尝试一下[最好先在Sim卡中使用],然后再在实际电路板上试一下,看看是否值得尝试节省这个上限。

并且由于放大器/驱动器的特性很重要,因此请注意ST应用笔记中的以下建议:

许多晶体制造商可以根据要求检查微控制器/晶体配对的兼容性。如果判断该配对有效,则他们可以提供报告,其中包括建议的CL1和CL2值以及振荡器负电阻测量值。

最后,有时会故意在这些电容之间引入不平衡状态,以增加振荡器的输出电压(为此,您需要将其减小一个),但这也会增加xtal的功耗:

在此处输入图片说明


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我认为将晶体电容器串联是没有帮助的。它们都执行相似的工作,但是在电路的不同部分起作用。第一个电容器(也是最重要的电容器)位于反馈到逆变器输入端的回路上:-

在此处输入图片说明

上图的左半部分显示了一个10 MHz晶振的等效电路以及一个接地的20pF电容器(C3)。V1是驱动源,在右边,我绘制了频率和相位响应。还要注意R2的存在(我将在后面进一步解释)。

在刚好超过10MHz的情况下,电路的相角非常接近180度,这很重要,因为晶体是由反相器驱动的。反相器产生180度相移(又称反相),晶体及其外部电容器又产生180度,因此产生360度并具有正反馈。

另外,要保持振荡,增益必须大于1。关于上图,在10 MHz以上时,电路会产生增益,即H(s)大于1,如果网络产生了180度相移,则会发生振荡。 。

为什么要在晶体的驱动侧增加额外的电容器?

这不仅防止了晶体被过分驱动,而且还产生了一些额外的相移度,并允许电路振荡。注意标有R2的100欧姆电阻-它限制了流入晶体的电流,但此时额外的接地电容会增加所需的相移。

许多晶体振荡器电路没有显示该串联电阻,因为它利用了逆变器的非零输出阻抗。如果您有一个相对强大的逆变器(能够驱动数十毫安的电流),那么就需要一个电阻并加以考虑-谁会在不考虑串联电阻的情况下在逆变器的原始输出上施加20pF的电流?

相关问题:设计振荡器


何晶振数据手册中规定的“负载电容”仅相当于实际负载电容的一半?另外,C2(在我的附图中)是否不取决于逆变器的串联电阻?
FrancoVS 2015年

@FrancoVS我并不是说-我的断言是负载电容是您的第一个图表(C1)中显示的电容。C2在某种程度上取决于逆变器的内部,但我看不到这与xtal的加载方式有何关系。
安迪(aka Andy)

我的观点是,我阅读的大多数教程都告诉我,指定C1和C2的一种好方法是假设它们相等,并且我应该指定它们的串联电容等于晶振上的“负载电容”值。数据表(忽略电路板的电容)。如果我正确理解您的意思,那是错误的:C1是负载电容器(因此,我向期望30pF的晶体提供60pF的电容),而C2完全不依赖于晶体:应根据以下参数进行指定到逆变器。
FrancoVS 2015年

@FrancoVS我确切地听到了您说的话,而且似乎所有关于xtals的普通教程都将电容分为两边,通常是相等的。好吧,据我的分析,xtal的驱动端只有几欧姆或几十欧姆。假设最大为50欧姆。现在看一下缓冲器输入侧的22pF阻抗。在(假设)10MHz时,阻抗为723欧姆。这说明xtal的负载是22pF,串联50欧姆。在输出上再加一个22pF只是稍微分流了50欧姆。
安迪(aka Andy)

当然,所有这些都假定制造商数据表提供的xtal等效电路在工作频率附近是精确的。根据我的经验,我没有任何理由相信,除了对输出波形进行整形以使其在精致的小xtal上“更轻松”之外,逆变器输出上的上限还有其他用途。
安迪(aka Andy)
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