晶体振荡器电路与PCB布局设计指南.pdf

简介：
本书《晶体振荡器电路与PCB布局设计指南》深入解析了晶体振荡器的工作原理、电路设计及优化策略，并提供详尽的PCB布局建议，帮助读者提升电子产品的稳定性和可靠性。 ### 晶体振荡器电路与PCB布线设计指南 #### 一、石英晶振的特性及模型 石英晶振是电子设备中的关键频率控制组件，尤其在微控制器系统中扮演重要角色。它是一种压电器件，能够将电能转换为机械振动，并且这种能量转换发生在特定共振频率上。 **石英晶体等效电路参数包括：** - **C0**: 并联电容值（并接于串联臂），主要由晶振尺寸决定。 - **Lm**: 动态等效电感，代表了晶振机械振动的惯性。 - **Cm**: 动态等效电容，表示晶振弹性。 - **Rm**: 动态等效电阻，反映了内部损耗。 其阻抗可由以下公式描述（假设 Rm 可忽略）： \[ Z = jX \] 其中 X 为晶振的电抗，具体表达式如下： \[ X = \frac{1}{\omega C_m} - \omega L_m \] 这里 ω 表示角频率。 - **Fs**: 串联谐振频率，在 \(X=0\) 的条件下计算得出。 \[ Fs = \frac{1}{2\pi\sqrt{L_mC_m}} \] - **Fa**: 并联谐振频率，当 X 趋近无穷大时确定。 \[ Fa = \frac{1}{2\pi\sqrt{\left(\frac{1}{\omega^2C_0} + \frac{1}{\omega^2C_m}\right)L_m}} \] 在 Fs 和 Fa 之间（图中阴影区域），晶振工作于并联谐振状态，呈现出电感特性，并且相位变化约为 180°。该区域内频率 \(FP\) 可通过以下公式计算： \[ FP = \frac{1}{2\pi\sqrt{\left(\frac{1}{\omega^2C_0} + \frac{1}{\omega^2C_m}\right)\left(L_m + \frac{1}{\omega^2C_L}\right)}} \] 通过调整外部负载电容 \(CL\)，可以微调振荡器频率。制造商通常会指定推荐的 CL 值以确保晶振在特定频率下正常工作。 **等效电路参数实例**: 一个具体晶体参数为 Rm = 8Ω, Lm = 14.7mH, Cm = 0.027pF, C0 = 5.57pF。根据上述公式，计算得出 Fs 和 Fa 分别约为 798kHz 及 8MHz。若外部负载电容 CL 设为 10pF，则振荡频率 FP 约为 7996Hz。为了达到目标标称值（例如8MHz），CL 应调整至约4.02pF。 #### 二、振荡器原理 振荡器是一种能够自行产生周期信号的电路，广泛应用于生成稳定的时钟和射频信号等场合。对于微控制器而言，一个稳定且准确的时钟至关重要，它直接影响系统性能与可靠性。 **基本组成包括：** - **放大器**: 用于放大信号。 - **反馈网络**: 提供正向反馈使信号循环。 - **滤波器**: 确保选择特定频率范围内的信号。 振荡条件： 1. **巴克豪森准则**: 要求环路增益为 0dB，总相移需达到360° 或者 0°。 2. **足够的相位裕量**：以确保系统稳定性。 3. **幅度裕度**: 在温度和电源电压变化下仍保持稳定振荡。 #### 三、Pierce 振荡器 Pierce 振荡器是一种常见且适用于石英晶振的电路，通过连接晶体与两个电容器（C1 和 C2）构成。该类型的振荡器因其频率稳定性高和受温度影响小而被广泛使用。 **设计要点包括：** 1. **反馈电阻 RF**: 用于设定增益并确保启动及持续工作。 2. **负载电容 CL**: 影响振荡频率，通过选择合适的CL值可以微调至目标频率范围。 3. **增益裕量**: 较高的增益裕量有助于提高稳定性。 4. **驱动级别 DL 和外部电阻 RExt 计算**：限制晶振电流以保护器件免受损害。 5. **启动时间**: 合理设计可缩短所需的时间至稳定输出状态。 6. **牵引度 Pullability**: 指频率对电容变化的敏感性，低牵引度意味着更高的稳定性。 #### 四、选择晶