計時模塊使用石英晶體技術指導
　　眾所周知石英晶體是一種用于計時系統(tǒng)的頻率元器件,尤其是32.768K系列,幾乎所有基準時鐘模塊都要用到它們,世界上第一顆晶體在100多年前誕生于美國,發(fā)展到今天,已經(jīng)是非常傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)了.而且與我們的日常和工作緊密相連,雖然我們很少見到32.768K晶振,但它時時伴隨我們左右,手機里,電腦里,座機里都有它們的身影.但很少人知道,石英晶體最早是應用到手表和鐘表上面的,后來廣泛使用到各種各樣不同的產(chǎn)品身上.
　　自推出以來,32.768kHz微型手表晶體已成為有史以來最流行的計時參考.本應用筆記旨在為在計時應用中使用石英晶振提供一些指導.在幾乎所有情況下,為了方便和節(jié)省成本,設計人員都希望為此應用使用簡單的邏輯門振蕩器.通常適用于此類設計的標準是:它應該準確,低成本和低功耗.使用監(jiān)視晶體和CMOS邏輯,可以滿足所有這些條件.

　　在CMOS振蕩器電路中,功耗隨頻率而增加,因此將工作頻率降低到最小是有意義的.這就是選擇32.768kHz的原因.減少CMOS電路功耗的第二種方法是減小任何驅(qū)動負載的尺寸.出于這個原因,部分原因是手表石英晶體的設計工作負載通常為12.5pF,而不是通常的20或30pF.它還與以下問題有關:(a)除非使用了低晶體負載電容,否則在手表所用的低電壓下,所用的CMOS類型會耗盡蒸汽;(b)在保持適當?shù)哪孀兤鬏斎腚妷旱耐瑫r保持晶振驅(qū)動電平低;
　　(c)允許使用非常小的微調(diào)電容器,同時仍提供必要的微調(diào)范圍.
　　CMOS反相器振蕩器的基本要求可以通過一個門和少數(shù)幾個提供偏置和反饋的組件來滿足.圖1顯示了這種類型的典型電路.石英晶振看到的負載電容是Cout和Cin與任何電路雜散的串聯(lián)組合,包括邏輯門輸入和輸出引腳電容.圖1中使用的分量值工作良好,并且與從Saunders140晶體阻抗計獲得的測量測試結(jié)果具有良好的相關性.SMD晶振的視在負載電容為:

　　Cout=柵極輸出電容器Cin=柵極輸入電容器

　　這樣得出的負載為6.9pF.這遠低于要求的12.5pF數(shù)值,但是邏輯門的輸入和輸出引腳都存在明顯的負載.這些附加值需要加到6.9pF.每個引腳的這些負載通常約為3pF至4pF,但最高可達10pF,并且還取決于所使用的邏輯系列.這些額外的石英晶振負載以及電路中的任何雜散電容應加起來約為12.5pF.
　　如果需要可調(diào)整的振蕩器,則可以用一個固定的10pF電容器與一個2pF至22pF的調(diào)整器并聯(lián)來代替22pF的輸出電容器.為了獲得最佳結(jié)果,應使用NPO,COG或類似的低溫系數(shù)介電電容器以獲得最佳穩(wěn)定性.
　　諸如此類的振蕩器的經(jīng)常表達的要求是緊密的公差,通常確實在其中將不提供微調(diào)器的布局中.除了電容容差的影響外,還必須意識到,由于其值很低,歸因于IC的稍微可變的阻抗將導致一定程度的不確定相移,從而導致振蕩頻率.強烈建議使用微調(diào)器,因此,無論實際的晶振容差如何,如果需要的精度都優(yōu)于±50ppm.

　　另一個重要的影響是由于溫度變化.低于1MHz的手表晶體和其他類似類型的晶體具有拋物線頻率-溫度特性,設計周轉(zhuǎn)溫度為25°C(見圖3).周轉(zhuǎn)溫度和拋物線曲率常數(shù)的容差通常分別為±3°C和0.038ppm/°C2,這意味著僅在有限的溫度范圍內(nèi)才能保持接近的容差.當然,這在手表中幾乎沒有什么意義,因為在使用中它會保持接近晶體的周轉(zhuǎn)溫度,但是如果工作溫度范圍在一定范圍內(nèi),則與AT切割單元相比,這種類型的晶體的成本效益較低.要求寬于0至50°C.
　　圖2所示為4.194304MHz(32.768kHzx27)AT切割貼片晶體的類似電路.C3和C4旨在促進對在12pF的標準時鐘晶體負載下校準的晶體進行精確的頻率修整.如果不需要修整,則用18pF或22pF固定單元替換這些電容器(選擇導致振蕩最接近標稱頻率的值),或者完全省略它們,并指定要在30pF負載下校準的晶體.
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