晶振,陶瓷谐振器,RC振荡器和硅振荡器是与微控制器一起使用的四种时钟源.应用的最佳时钟源取决于许多因素,包括成本,精度和环境参数.本应用笔记讨论了选择微控制器时钟的决定因素.比较振荡器类型.
微控制器的大多数时钟源可以分为两类:基于机械谐振器件的晶体管和陶瓷谐振器,以及基于电相移电路的器件,如RC(电阻器,电容器)振荡器.硅振荡器通常是RC振荡器的完全集成版本,具有电流源,匹配电阻器和电容器以及温度补偿电路等附加优势,可提高稳定性.时钟源的两个例子如图1所示.图1a显示了适用于机械谐振器件(如晶体和陶瓷谐振器)的Pierce振荡器配置,而图1b显示了一个简单的RC反馈振荡器.
图1.简单时钟源示例:(a)皮尔斯振荡器配置和(b)RC反馈振荡器.
机械谐振器与RC振荡器的主要区别
基于晶振和陶瓷谐振器的振荡器(机械)通常提供非常高的初始精度和适度低的温度系数.相比之下,RC振荡器提供快速启动和低成本,但通常在温度和电源电压范围内具有较差的精度,并且显示出标称输出频率的5％至50％的变化.虽然图1所示的电路可以产生干净可靠的时钟信号,但它们的性能将受到环境条件,电路元件选择和振荡器电路布局的严重影响.陶瓷谐振器及其相关的负载电容值必须针对特定逻辑系列的操作进行优化.晶体,Q值较高,对放大器选择不敏感,但在过驱动时易受频率偏移(甚至损坏)的影响.电磁干扰(EMI),机械振动和冲击,湿度和温度等环境因素会影响振荡器的运行.这些环境因素可能导致输出频率变化,抖动增加,并且在严重情况下,可能导致石英晶体振荡器停止工作.
振荡器模块
通过使用振荡器模块可以避免上述许多考虑因素.这些模块包含所有振荡器电路元件,并提供时钟信号作为低阻抗方波输出.在各种条件下都能保证运行.石英晶体振荡器模块和完全集成的硅振荡器是最常见的.晶体振荡器模块提供类似于使用晶体的分立元件电路的精度硅振荡器比分立元件RC振荡器电路更精确,并且许多提供与基于陶瓷谐振器的振荡器相当的精度.
功耗是振荡器选择的另一个重要考虑因素.分立元件晶体振荡器电路的功耗主要由反馈放大器电源电流和所用的在线电容值决定.用CMOS制造的放大器的功耗在很大程度上与工作频率成比例,并且可以表示为功耗电容值.例如,用作反相放大器的HC04反相器栅极的功率耗散电容值通常为90pF.对于5V电源下4MHz的工作电压,这相当于1.8mA的电源电流.分立元件晶体振荡器电路通常包括20pF的附加负载电容值,并且总供电电流变为2.2mA.
陶瓷谐振器电路通常指定比晶振电路更大的负载电容值,并且比使用相同放大器的晶体电路消耗更多的电流.
表1.时钟源类型的性能比较
相比之下,由于包括温度补偿和控制功能,晶体振荡器模块通常消耗10mA至60mA的电源电流.
硅振荡器的电源电流取决于类型和功能,可以从低频(固定)器件的几微安到可编程频率器件的几十毫安.低功耗硅振荡器(如MAX7375)在4MHz工作时消耗的电流小于2mA.
特定微控制器应用的最佳时钟源由多种因素组成,包括精度,成本,功耗和环境要求.上表总结了此处讨论的常见振荡器电路类型及其优缺点.
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