用于微控制器的外部振荡器

Question

鉴于您想要的频率，您如何了解用于微控制器的外部振荡器？什么是水晶之间的区别是什么（https://www.digikey.com/en/products/detail/suntsu-electronics-inc/SXTHM212AA164-16-000MT/12264644)和振荡器(https://www.digikey.com/en/products/detail/suntsu-electronics-inc/SXO53C3A161-16-000M/12163949）？为什么振荡器需要电源电压？我所看到的大多数电路都使用直晶体也有一些连接到它们的电容器，这些电容器是什么，你是如何选择它们的值？

Answer 1

水晶

晶体只不过是压电晶体材料的共振片，粘合到销钉，使得它具有共振电性能。它是一个无法振荡的无源设备 - 它没有输入或输出引脚。它只是石英或其他材料的被动斑，具有特定的阻抗曲线，其在特定频率上看起来谐振。

它与微控制器上的有源电路相结合，在晶体的共振频率上提供一些激励增益，最终产生振荡。微控制器的电源为振荡机构提供能量，通过给有源电路供电来提供增益。

晶体和增益元件组合的一个例子是皮尔斯振荡器微控制器提供MOS逆变器的拓扑（例如，在XTAL1 / XTAL2引脚之间提供），电容器+晶体由板设计器提供并连接到芯片销。

一种估计这种拓扑所需电容的方法是将系统划分为晶体(模型为有损RLC电路)和放大器本身。芯片上的电容器和增益元件(例如MOSFET)一起产生一个呈现负极的放大器小信号AC的阻抗，必须与晶体平行连接。¹

通过执行交流电路分析，电容器的必要值可以与增益元件的性能和晶体的损耗有关。在刺穿振荡器的情况下，对于给定的晶体管性能，两个电容器存在最小值。运行太靠近最小，电路可能不会振荡（完全或根据温度和环境间歇性）;运行太大并且电容器负载晶体，将其频率从其谐振拉出，并降低质量因子（噪音+降低性能。

作为推导的一个例子，下面的MOS结构是皮尔斯振荡器的合适增益元件(转载自我为我的硕士论文工作准备的幻灯片)。M1, M2和Rf是微控制器的典型组成部分，电路板设计者提供CA, CB和晶体:

可以看到²它的输入阻抗是高频的\ \ω\美元是由:

$ $ Z_{\文本在}{}= \压裂{1}{j \ωc₁}+ \压裂{1}{j \ω₂}- \压裂{g_m} {C_A C_B \ω^ 2}$ $

在哪里\ $ c₁\ $和\ $ c₂\ $是晶体本身模型中的等效串联和并联电容。

\ C_A \美元和\ C_B \美元你加到放大器上的两个电容必须足够大吗\ $ \ FRAC {G_M} {C_A C_B \ OMEGA ^ 2} \ $占主导地位，足以过度透露水晶的损失。

当然，这真的很烦人和数学沉重。芯片设计师想销售他们的芯片，水晶卖家想卖掉他们的水晶，而不使用户摩擦与MOSFET跨导和负阻抗。您可能会发现更简单的公式或查找表，这些表格表明了零件本身的数据表和/或应用笔记中的电容值。

振荡器

振荡器是有源电路;这意味着它需要电源来为其板载电路供电。

共同独立振荡器可以看到在线销售,主动电路包含一个共鸣的元素(如石英晶体、MEMS装置、TF-BAR,看到谐振器,等等),获得结构的设计可以很好地处理这种谐振器(如皮尔斯振荡器的放大器之前,一个微分Colpitts振荡器,等等)。这些被集成到一个集成电路包中，输出时钟信号被发送出一个输出管脚(或在一些高性能系统中两个差分管脚)。

这是董事会设计师更简单的解决方案;复杂电路分析由振荡器制造商完成。您需要做的就是确保振荡器可以驱动正确的电压摆动和输出电流，即您提供了数据表中所述的右电压+去耦电容，您不超过环境条件（温度，振动， 等等）。

值得注意的是，并非每个振荡器都基于晶体或MEMS谐振器。Some use electrical inductors and capacitors (e.g. LC cross-coupled oscillator), and some just use delays (e.g. ring oscillator, Xilinx digital clock manager delay-line loop) or even voltage-controlled variants of the above (e.g. voltage-controlled oscillator as found in a PLL)

笔记

1:可以把电路作为反馈放大器来分析，并应用巴克豪森振荡判据。我更喜欢等效阻抗在共振方法，因为我个人发现它更直观。

2: B. Razavi的第13.6节，微电子学基础，第二版，普伦蒂斯霍尔，2012 -适用于作为一个整体的答案和这个推导。