皮爾斯晶振電路
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-09-10
皮爾斯晶振電路的實例教程
今天看一下皮爾斯晶振電路，就長下面這個樣子。
皮爾斯晶振電路
來看一下電路參數(shù)作用及如何計算，幫助更好地設(shè)計MCU的晶振電路。
： 晶振內(nèi)部反饋電阻，它的作用是使反向器作為放大器工作，并接在Vin和Vout上，使放大器的Vout = Vin，從而強(qiáng)制它運(yùn)行在線性區(qū)內(nèi)。
不同的晶振，反饋電阻不一樣，如下ST給出了對應(yīng)的范圍。
不同頻率晶振反饋電阻的范圍
這個參數(shù)我們可以不用管。
： 內(nèi)部的反相器，作為放大器來用。
： 晶振/晶體。
晶振，在板子上看上去一個不起眼的小器件，但是在數(shù)字電路里，就像是整個電路的心臟。數(shù)字電路的所有工作都離不開時鐘，晶振的好壞，晶振電路設(shè)計的好壞，會影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以更多的了解晶振，選擇好系統(tǒng)使用的晶振，對數(shù)字電路來說是決定成敗的第一步。
我們目前常說的晶振都是石英晶體振蕩器或者石英晶體諧振器的簡稱。他們都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。在石英晶體的兩個電極上施加電場會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形，反之，如果在晶體兩側(cè)施加機(jī)械壓力就會在晶體上產(chǎn)生電場。并且，這兩種現(xiàn)象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側(cè)施加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時產(chǎn)生交變電場。這種震動和電場一般都很小，但是在某個特定頻率下，振幅會明顯加大，這就是壓電諧振，和我們常見到的LC回路諧振有些類似。
下圖是晶振的電氣等效電路和電抗頻率特性曲線圖：
從圖中可以看出，當(dāng)LCR這個支路發(fā)生串聯(lián)諧振的時候，其串聯(lián)諧振頻率為fs，其計算公式和普通的串聯(lián)諧振計算公式一樣：
當(dāng)頻率繼續(xù)提高，高于fs時，LCR支路呈感性，這樣和C0產(chǎn)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振頻率fp，其計算公式為：
其中由于晶振的特性，C遠(yuǎn)小于C0，所以fp和fs的值非常接近。通過電抗頻率特性曲線圖可以看出來，在這個狹窄的頻率范圍內(nèi)，晶振整體表現(xiàn)出感性，這樣只需要在晶振外部并聯(lián)合適的電容，就可以組成并聯(lián)諧振電路。然后把這個并聯(lián)諧振電路加到負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路。這個合適的電容就是晶振的負(fù)載電容。
上圖就是一個常見的晶振振蕩電路，晶振和C1、C2組成并聯(lián)諧振回路，接到芯片的管腳上，芯片內(nèi)部的反相放大器和Rf組成負(fù)反饋回路，R1用來限制流入 晶振的電流。有些芯片會把Rf和R1集成到器件中，這樣就降低了電路設(shè)計的難度。
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4、皮爾斯晶體振蕩器設(shè)計
本節(jié)講了不同的參數(shù)，以及如何確定它們的值，以便更好的進(jìn)行皮爾斯振蕩器的設(shè)計。
1、反饋電阻RF
在幾乎所有的ST的MCU中，RF是內(nèi)嵌在芯片內(nèi)的。它的作用是讓反相器作為一個放大器來工作。
Vin和Vout之間增加的反饋電阻使放大器在Vout＝ Vin時產(chǎn)生偏置，迫使反向器工作在線性區(qū)域(圖5中陰影區(qū))。該放大器放大了晶振的正常工作區(qū)域內(nèi)（Fs與Fa之間）的噪聲(例如晶振的熱噪聲)，該噪聲從而引發(fā)晶振起振。在某些情況下，起振后去掉反饋電阻RF，振蕩器仍可以繼續(xù)正常工作。
2、負(fù)載電容CL
負(fù)載電容CL是指連接到晶振上的終端電容。CL值取決于外部電容器CL1和CL2，雜散電容Cs。CL值由由晶振制造商給出。
振蕩頻率精度，主要取決于振蕩電路的實際負(fù)載電容與晶振制造商給出的CL值是否相同。振蕩頻率是否穩(wěn)定則主要取決于負(fù)載電容值是否保持穩(wěn)定不變。
調(diào)整外部電容器CL1和CL2，使振蕩電路實際的負(fù)載電容等于晶振制造商標(biāo)定的負(fù)載值CL參數(shù)（晶振規(guī)格書一般會提供），可以獲得標(biāo)定的振蕩頻率。
計算公式如下：
舉個計算的示例：
如果晶振規(guī)格書手冊中CL ＝15pF，并假定Cs = 5pF，則匹配電容CL1，CL2有：
3、振蕩器的增益裕量
增益裕量是最重要的參數(shù)，它決定振蕩器是否能夠正常起振，其表達(dá)式如下：
其中：
a、gm是反相器的跨導(dǎo)（高頻時單位是mA/V，低頻時是μA/V，比如32Khz）。
b、gmcrit (gm critical)的值取決于晶體參數(shù)。
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皮爾斯晶振電路的最新內(nèi)容
前言
很多設(shè)計者都知道晶體振蕩器都是基于皮爾斯振蕩器，但不是所有人都知道具體是如何工作的，只有一部分人能掌握具體如何設(shè)計。在實踐中，對振蕩器設(shè)計的關(guān)注有限，直到發(fā)現(xiàn)它不能正常運(yùn)行（通常是在最終產(chǎn)品已經(jīng)在生產(chǎn)時），這會導(dǎo)致項目延遲。
振蕩器必須在設(shè)計階段，即在轉(zhuǎn)向制造之前，得到適當(dāng)?shù)年P(guān)注，以避免產(chǎn)品在應(yīng)用中失敗的噩夢場景。
本文介紹了皮爾斯振蕩器的基礎(chǔ)知識，并為其設(shè)計提供了指導(dǎo)方針。
晶振，在板子上看上去一個不起眼的小器件，但是在數(shù)字電路里，就像是整個電路的心臟。數(shù)字電路的所有工作都離不開時鐘，晶振的好壞，晶振電路設(shè)計的好壞，會影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以更多的了解晶振，選擇好系統(tǒng)使用的晶振，對數(shù)字電路來說是決定成敗的第一步。
我們目前常說的晶振都是石英晶體振蕩器或者石英晶體諧振器的簡稱。他們都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。在石英晶體的兩個電極上施加電場會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形
今天看一下皮爾斯晶振電路，就長下面這個樣子。
