硅振荡器是满足大多数微控制器(μC)时钟需求的简单而有效的解决方案.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组件或电路板布局.
除了应用中的任何环境因素外,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.准确度要求通常由为应用程序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.
时钟噪声受许多来源的影响,包括放大器噪声,电源噪声,电路板布局以及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,使其特别适用于需要低基带噪声的系统,如音频编解码器.
然而,硅振荡器通常占据最小的空间并且不需要额外的定时组件.通常,电源旁路电容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被实现为皮尔斯振荡器,其中晶体或石英晶振用作反相放大器的反馈中的调谐元件.为了在这种设计中稳定工作,相移补偿和增益控制由附加电容器和电阻器提供.此外,电阻器提供防止过驱动所需的阻尼,这可能永久地损坏晶体或谐振器.
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显示了使用三端陶瓷谐振器的Pierce振荡器,该谐振器集成了补偿电容.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.
最常见的Pierce振荡器实现使用CMOS反相器门作为放大器.尽管通常不如基于晶体管的振荡器稳定且具有更高的功耗,但基于CMOS逆变器的设计在一系列条件下是简单且可用的.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,因为它们可产生更稳定的石英晶体振荡器,尽管功耗增加.无缓冲栅极没有强输出级,必须由标准逆变器缓冲,以驱动长电路板走线.
硅振荡器的优点
最简单的时钟源由独立的振荡器器件提供,例如硅振荡器.这些器件产生指定频率的方波,直接应用于μC时钟输入.硅振荡器不依赖于机械谐振特性来得出振荡频率;他们使用内部RC时间常数.这种设计使得基于硅的器件相对不受外部机械影响.此外,缺少暴露的高阻抗节点,例如传统振荡器中的节点,使得硅振荡器更能容忍湿度和EMI效应.
取代硅振荡器
当用硅振荡器代替晶体或陶瓷谐振器器件时,首先丢弃与振荡器电路相关的任何元件.这通常涉及去除一个或两个电阻器和两个电容器(如果它们不包括在谐振器封装中).然后可以将振荡器放置在方便的位置,时钟输出连接到μC时钟输入(图4.串联电阻最小化EM发射.OSC1)引脚.振荡器器件的电源应与为μC时钟输入电路供电的电源相同.
该设计的一个例子在图2和3中示出,其中显示了MC68HC908μC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显示了使用硅振荡器的电路,在这种情况下,MAX7375采用SC70封装,尺寸仅为2.0mmx2.1mm,包括引脚.
图2.MC68HC908μC带有一个小型三端谐振器振荡器.
图3.使用MAX7375硅振荡器的MC68HC908μC.
图4.串联电阻最小化EM发射
硅振荡器的板放置通常并不重要,因为这些晶振器件输出低阻抗方波,可以在合理的距离上传输,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标.与任何高速信号一样,时钟输出在驱动长迹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与时钟发生器引脚相邻,可以最大限度地减少这些发射.图4给出了这种方法,该图显示了MAX7375驱动两个时钟目标,每个目标电阻与每个目标电阻相对应.
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