石英晶振计时使用提供技术指导

自推出以来32.768K微型手表水晶已经成为有史以来受欢迎的计时基准.该篇文章主要讲的内容是为石英晶振在计时应用中的使用提供一些指导.

出于方便和成本的考虑,在几乎所有情况下,设计者都希望在此应用中使用简单的逻辑门振荡器.通常应用于这类设计的标准是,它应该准确,低成本和低功耗.使用手表晶体和CMOS逻辑可以满足所有这些标准.

在CMOS石英晶体振荡器电路中,功耗随着频率的增加而增加,因此将工作频率降至最低是有意义的;这就是选择32.768kHz的原因.降低CMOS电路功耗的第二种方法是减小任何被驱动负载的尺寸.部分是因为这个原因,手表晶体被设计成通常在12.5pF负载下工作,而不是更常见的20pF或30pF负载.这也与:(a)除非使用低晶体负载电容,否则所使用的CMOS类型在手表中使用的低电压下会耗尽蒸汽；(b)保持石英晶振驱动电平低,同时保持足够的逆变器输入电压,以及(c)允许使用非常小的微调电容器,同时仍然提供必要的微调范围.

CMOS反相器振荡器的基本要求可以通过单个门和少数其他部件来提供偏置和反馈.图1显示了这种类型的典型电路.石英晶体看到的负载电容是Cout和Cin以及包括逻辑门输入和输出引脚电容在内的任何电路串的串联组合.图1中使用的分量值工作良好,并与Saunders140晶体阻抗仪测量的测试结果有很好的相关性.呈现给晶体的表观负载电容为:

Cout=栅极输出电容器Cin=栅极输入电容器

图1

这给出了6.9pF负载的数字.这远低于12.5pF的要求值,但是逻辑门的输入和输出引脚都有相当大的负载.这些额外的值需要添加到6.9pF.这些负载石英晶振通常在每个引脚3pF到4pF的数量级,但最高可达10pF,还将取决于所使用的逻辑系列.这些额外的负载加上电路中的任何杂散电容总和应该达到大约12.5pF

如果需要可微调振荡器,22pF输出电容可以由固定的10pF电容代替,并与2pF至22pF微调器并联.为了获得最佳结果,NPO,COG或类似的低温系数介电电容器应该用于获得最佳稳定性.

对石英晶体振荡器的一个经常表达的要求是严格的公差,实际上经常是在没有为修剪器做准备的布局中.除了电容器容差的影响之外,必须意识到,因为它们的值很低,IC的可变阻抗会导致不确定的相移,从而导致振荡频率.因此,强烈建议使用修剪器,如果精度高于50ppm,不管实际晶体公差如何.

另一个重要的影响是由于温度变化.手表晶体和其他低于1兆赫兹的类似类型具有抛物线频率-温度特性,并有设计周转

图2

温度为25℃(见图3).翻转温度和抛物线曲率常数的公差,通常分别为3°C和0.038ppm/C2,意味着只能在有限的温度范围内保持紧密的公差.当然,这在手表中没有什么影响,因为在使用中,它保持接近贴片晶振的翻转温度,但是如果希望工作温度范围大于0-50℃,这种类型的晶体的选择会比AT切割装置成本低.

图3

4.194304mHz(32.768kHz×27)AT切割晶振的类似电路如图2C3和C4所示,旨在促进在标准时钟晶体负载12pF下校准的晶体的精确频率微调.如果不需要微调,或者用18pF或22pF固定单元替换这些电容器(选择最接近标称频率的振荡值),或者完全省略它们,并指定在30pF负载下校准的晶体.