晶振电路设计.docx

模拟电路部分晶振设计1.振荡器原理振荡器是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器从能量的角度来说，正弦波 振荡器是通过自激方式把直流电能转换为特定频率和幅度的正弦交变能量的电路对于任何一个带有反馈的放大电路，都可以画成下图所示结构:图4振荡器当增益满足I f\x | > 1，且相位条件满足以+ 2兀时，构成正反馈环路，起振条件得以满足上图即构成一个振荡器2.晶振原理当在晶体两端加上一定的交变电场，晶片就会产生机械形变，石英晶体振荡器是利用石 英晶体的压电效应制的一种谐振器件，若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生 机械变形同时这个机械形变又会产生相应的交变电压,并且其特征频率下的振幅比其他频 率点的振幅大得多根据这个特点，为了得到低的起振电压和短的起振时间，在晶体两端施加 的交变电压的频谱能量应主要集中在晶体的特征频率附近在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的 频率为某一特定值时，振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振 石英晶体振荡器的等效电路如图5所示当用石英晶体组成并联谐振电路时，晶体表现为 感性，其等效品质因数Q值很高。

等效阻抗2频率特性如图6所示图5晶振等效电路图6晶振等效阻抗图6中，Fr为串联谐振点在频率为F, = 1/（2兀、LC）时，图2中串联的L、C谐振，串联支路等效为一个纯电阻Fa为并联谐振点，此时串联支路等效为电感，与并联的C0谐振，Fa = Fj 1 + C/C0此时等效阻抗趋于无穷大通常这两个频率点之间的差值很小总的来说，可以认为晶振在串联谐振时表现为电阻，在并联谐振时表现为电感这里 建议设计时采用并联谐振3. Pierce OscillatorRf图7振荡电路倒相器作为放大器，同时提供180度的相移而晶振及负阻电容作为反馈回路，提供剩 下的180度相移Rp为反馈电阻，用来决定倒相器的直流工作点，使之工作在高增益区(线 性区)这个电阻值不能太小，否则会导致环路无法振荡该电路利用晶振的并联谐振，由 于并联谐振与C0有关，会受寄生电容影响，因此增加负载电容C1、C2,可减小C0对谐振 频率的影响同时C1、C2的加入会影响起振时间和振荡频率的准确度负载电容的选择， 应根据晶振供应商提供的datasheet的数值选择在许可范围内，负载电容值越低越好容 值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。

Rs用于抑制高次谐波，从而使振荡器获得较为纯净的频谱Rs的值若太小的话，可能 会导致晶振的过分驱动(overdrive)，导致晶振损坏或寿命减短通常取R Xc2Rs 的影响可以由下图看出Rg = Oil (Rl = 1 kUjRS = 3 心= 1 心Tims - ns图8 Rs的影响（来自参考资料）4.电路分析xtal电路原理图图9如图9, PM0和NM0构成倒相器，与片外电路共同组成振荡环路PM7~PM9和NM7-NM9组成施密特触发器，对波形进行整形和放大输出信号再经过两级倒相器，以提 高输出级驱动能力5. hspice 网表.GLOBAL VDD VSS*.PININFO XIN:I XC:O XOUT:O // 内部电路R6 net_0106 XOUT 300.135 $[RNDIFSAB]R0 XIN net21 300.135 $[RNDIFSAB]MPM11 XC net075 VDD VDD P18 W=5u L=180.0n M=7MPM10 net075 net60 VDD VDD P33 W=5u L=300.0n M=6MPM9 VSS net60 net_062 VDD P18 W=500n L=3u M=1MPM7 net_062 net_0106 VDD VDD P18 W=750.0n L=3u M=1MPM8 net60 net_0106 net_062 VDD P18 W=750.0n L=3u M=1MPM0 XOUT net21 VDD VDD P18 W=600n L=3u M=2MNM11 XC net075 VSS VSS N18 W=2u L=180.0n M=6MNM10 net075 net60 VSS VSS N33 W=2u L=350.0n M=2MNM9 VDD net60 net_061 VSS N18 W=420n L=3.5u M=1MNM7 net_061 net_0106 VSS VSS N18 W=420n L=3.5u M=1MNM8 net60 net_0106 net_061 VSS N18 W=420n L=3.5u M=1MNM0 XOUT net21 VSS VSS N18 W=560.0n L=4u M=1R3 XOUT net7 240k 〃片外电路L0 net027 net7 10.2568KV0 net9 net027 sin(0 1Meg 32.768k 0.1n 1e+7 0) 〃电压源，使仿真时快速起振。

实际电路中不用C0 net12 net9 2.3fR1 net12 XIN 130KC3 0 net7 20pC2 0 XIN 20pR2 XOUT XIN 25MegC1 XIN net7 2p.lib "/home/syy/xtal_smic/TD-LO18-SP-2001V10P/l018_v2p4.lib" TT.lib "/home/syy/xtal_smic/TD-LO18-SP-2001V10P/l018_v2p4.lib" res_TTvvdd vdd 0 1.8vvvss vss 0 0.option DELMAX=2.5n.PROBE .OP.TEMP 25 .TRAN 3us 3ms*.options probe*.probe v(XOUT) v(XC).END6. 仿真结果：XOUT：『U=J置国Qr-Rs小的时候，在同样的激励电压下，波形幅度阳s大的情况小很多，导致/C输出为一根直线XOUT和XC的波形图:图10 XOUT和XC的波形图7. 晶振设计注意事项：在低功耗设计中晶体的选择非常重要，尤其带有睡眠唤醒的系统，往往使用低电压以求 低功耗由于低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起 振。

这一现象在上电复位时并不特别明显，上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡在 睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易在振荡回路中，晶体既不 能过激励（容易振到高次谐波上）也不能欠激励（不容易起振）晶体的选择应考虑以下几个要 素：谐振频点、负载电容、激励功率、温度特性、长期稳定性换句话说，晶振可靠性工作 不仅受到负载电容的影响对于负载电容的选择，应根据晶振供应商提供datasheet的数值 选择在许可范围内，负载电容值越低越好容值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加 起振时间有的晶振推荐电路甚至需要串联电阻RS，它一般用来来防止晶振被过分驱动 过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升，造成频率偏移，加速 老化8. 设计经验总结1. 首先要选择一个低的等效串联电阻的晶体晶体串联电阻低有利于解决起振的问题 因为低的晶体等效阻值有利于增加环路增益2. 通过缩短印制电路板的连线间距来减低寄身电容从而可以帮助解决起振问题和晶振 频率稳定度的问题3. 应该保持对晶振应用温度和电压范围保持监控，从而保持晶体起振频率有必要的话要 调整电容电阻的值4. 想要得到最佳效果，晶振设计应该采用V dd峰峰值的至少40%作为驱动时钟反相器的 输入信号。

仅仅调节晶振两端是不能达到这一要求的我们也可以参考晶振制造商的使用说 明来获得关于晶振设计进一步的帮助5. 对于推荐最优化的R1的阻值可以这样得到，首先计算电容C1，C2的值，然后在R1的 位置上设置一个电位计，将电位计的初始值设置为XC1这样可以通过调节电位计来保证在 所需要的频率下起振以及维持晶体稳态振荡。