【技术大神】无源晶振电路设计和改进
近来关注世强平台举办的“码五千字”活动，阅读到了很多好文章，其中有一篇《小晶振大文章》引起了笔者的共鸣，特别对“晶振是电子产品不可或缺的一部分，准确可靠的震荡频率是产品稳定性的基础”这句话深有感触。
无源晶振电路设计可参考如图1所示的皮尔斯振荡器电路模型，设计人员只需给晶振Q配置合适的外围电路，即两个外部负载电容CL1、CL2和一个外部限流电阻RExt，晶振就能正常工作了。CS为杂散电容，存在板级之间。
图1：晶振外围电路设计图
下面笔者结合智能采集终端项目，针对EPSON公司两款无源晶振测试结果做分析，谈一谈如何正确地设计无源晶振硬件电路。
CPU主12M时钟
选用Epson公司的12MHz无源晶振，型号为FA-20H-12.000MHz-12.0pF-30ppm。此款晶振指标如图2所示，其优势表现为：体积小、超宽存储温度范围、超宽工作稳定范围、低温度频差和低老化速度。
图2：FA-20H-12.000MHz-12.0pF-30ppm指标
12MHz时钟波形如图3所示，开始时间为2.65ms，幅值为3.21V，满足A公司CPU时钟产品的设计要求（开始时间小于10ms；高电平幅值为3.3V±5%）。但是频偏46.5ppm过大，如图4所示，频偏过大最严重结果可能导致系统的频率不准，所以需要调整频偏。
图3：12MHz时钟波形图
图4：12MHz时钟频谱图
参考晶体等效模型，图5中Co为并电容；Lm为等效电感，代表晶振的惯性；Cm为等效电容，代表晶振的弹性；Rm为等效电阻，代表晶振的损耗。
图5：无源晶振等效模型
实际频率和标称频率之间的关系：FP = FS×[1+Cm/2(CO+CL)]……①
FS是当晶振阻抗为0时的串联频率：FS = 1/[2π(Lm×Cm)1/2]……②
CL为晶振的负载电容：CL = (CL1×CL2)/( CL1+ CL2)+Cs ……③
根据公式①②③知：增大负载电容可减小实际频率FP；减小负载电容可增大实际频率FP。所以可以改变CL1和CL2，通过计算只要CL变化1pF，FP可以变化几百赫兹。原有电路使用的是两个20pF电容，则串联起来是10pF。参考器件库，发现稍微大于20pF的电容只有22pF，27pF和30pF。如果用两个22pF串联，频偏还是很大。而如果用两个27pF串联，则频偏偏小。试用不同容值27pF和22pF串联，则电容为12.1pF，测量得频偏落在了设计范围内。所以晶振电路上的两个电容可以不相等，通过微调电容值可以微调晶振的振荡频率。
计量模块36.768kHz时钟电路设计改进
采用Epson公司的32.768kHz无源晶振，型号为MC-146-32.768kHz-12.5pF-20ppm。此款晶振指标如图6所示，其优势表现为：超宽存储温度范围、超宽工作稳定范围、低调整频差、低温度频差和低老化速度。
图6：MC-146-32.768kHz-12.5pF-20ppm指标
32.768kHz时钟波形如下图所示，晶振波形的峰峰值VPP= (690-130)mV= 560mV。
图7：36.768kHz时钟波形图
根据皮尔斯振荡器电路模型知：
驱动等级DL = I2QRMS×ESR = (2πF×VRMS×Ctot)2×ESR......④
其中：IQRMS为流过晶振电流的均方根有效值，ESR为晶振等效电阻65k，F为晶振频率32.768k。
VRMS = VPP/23/2 ≈ 0.2V
Ctot = CL1+(CS/2)+Cprobe≈15.5pF，公式中CL1为10pF，CS取3pF，探头电容Cprobe一般取5pF。
根据公式④计算晶振的实际驱动级别大约为0.026uW，远小于指标要求的驱动级别0.1uW。驱动能力不足的话，晶振存在不起振的风险，此时可以通过改变负载电容或者增大峰峰值来提高驱动级别。
查看原理图发现：
1）晶振外围电容为两个10pF串联，加上杂散电容，负载电容为8pF，达不到选型要求的12.5pF。后续先增大外接电容，改为两个18pF电容串联，测试发现负载电容增大4pF，峰峰值却略微降低。
2）晶振XOUT引脚（对应计量芯片的XIN引脚）上串联了一个1k电阻，串联电阻RExt作用是为了减小驱动晶体的功率，防止晶振驱动过强发生过驱动而进入泛音模式，但串联电阻过大会导致晶振峰峰值偏低，引起驱动能力不足。根据“当晶振上的功耗超过晶振制造商给定的值，RExt才是必需的，否则RExt的值应该为‘0’”的原则，MC-146-32.768kHz的最大驱动级别能达到0.5uW，所以去掉1k电阻测试发现峰峰值VPP增大约100mV。
根据公式④计算改进后电路的驱动级别约为0.085uW，接近于典型值0.1uW，满足设计需求。
由上述两款无源晶振的测试结果和分析得知：无源晶振的外围电路并不复杂，但如果没有配置合适的负载电容和限流电阻，频偏、驱动级别等参数会受到极大影响，更严重可能会导致系统不稳定，因此印证了“小器件、大文章”的道理。
作者：叵仄兮
- |
- +1 赞 0
- 收藏
- 评论 6
本网站所有内容禁止转载，否则追究法律责任！
评论
全部评论（6）
-
![]()
![]()
小倾听 Lv8. 研究员 2018-05-28厉害 -
![]()
![]()
RF_COUNTER Lv4. 资深工程师 2018-05-03没必要搞那么精准，按手册提供的电容就可以了，高低温下电容变化大，这种调整就失去意义了。要想精准用TCXO，OCXO -
![]()
![]()
用户20792732 Lv4. 资深工程师 2017-12-21厉害 -
![]()
![]()
翱翔 Lv3. 高级工程师 2017-12-08mark -
![]()
![]()
用户50283199 Lv7. 资深专家 2017-11-26好东西！ -
![]()
![]()
Up Lv1. 初级工程师 2016-11-15果然是技术大牛，我等菜鸟用晶振就看一个振荡频率，真是太水了
相关推荐
介绍行车记录仪中的晶振频点
本文中晶鸿兴来给大家介绍行车记录仪中的晶振频点，希望对各位工程师有所帮助。
【技术】无源晶振不起振、输出频率有偏差的解决方案
本文将从原理上为大家讲解如何避免出现无源晶振不起振、输出频率有偏差，并对无源晶振进行更合理选型。影响无源晶振稳定性的主要有以下几个参数：驱动功率、负载电容和负性阻抗。图一为无源晶振的基本电路。外部的无源晶振、匹配电容和IC内部的驱动部分一起组成整个的振荡电路。
Epson（爱普生）FC-135(Q13FC1350000400) 32.768kHz频率范围无源晶振详细数据手册（英文）
32.768kHz FC-135(Q13FC1350000400)无源晶振详细数据手册
EPSON - 32.768KHZ晶体谐振器,32.768KHZ无源晶振,晶体及时钟芯片,CRYSTAL UNIT,32.768K晶体,晶体单元,32.768K晶体单元,32.768无源晶振,32.768KHZ晶体单元,32.768KHZ晶体,32.768晶体,32.768K晶体谐振器,32.768K无源晶振,32.768晶体单元,32.768晶体谐振器,FC-135 32.768000KHZ,FC-135 32.768K,FC-135 32.768KHZ,Q13FC1350004511,Q13FC1350000300,Q13FC1350000400,Q13FC1350000411,Q13FC1350000211,Q13FC1350000200,Q13FC1350004900,FC-135,FC135,工业电子,消费电子,汽车电子,通信设备
Epson（爱普生） MC-306(Q13MC30610003xx) 32.768000 kHz频率范围无源晶振数据手册
32.768000 kHz MC-306(Q13MC30610003xx)无源晶振数据手册
EPSON - 32.768KHZ晶体谐振器,32.768KHZ无源晶振,KHZ范围晶体单元,晶体及时钟芯片,32.768K晶体,KHZ RANGE CRYSTAL UNIT,32.768K晶体单元,32.768无源晶振,32.768KHZ晶体单元,32.768KHZ晶体,32.768晶体,32.768K晶体谐振器,32.768K无源晶振,32.768晶体单元,32.768晶体谐振器,MC-306 32.768000 KHZ,Q13MC3061001811,MC-30632.768000KHZ12.5+20.0-20.0,MC-306,Q13MC3061000611,Q13MC3061000600,Q13MC3061000300,Q13MC3061000311,Q13MC30610003XX,Q13MC3062000300,Q13MC3062000311,Q14MC3061004511,MC-306 32.768K,MC-306 32.768000 KHZ 12.5 +20.0-20.0,Q13MC3062000600,Q13MC3062000611,MC-306 32.768KHZ,MC306,Q13MC30610003,工业电子,消费电子,汽车电子,通信设备
Epson（爱普生）FC-135(Q13FC13500002xx) 32.768kHz频率范围无源晶振数据手册
32.768kHz FC-135(Q13FC13500002xx)无源晶振数据手册
EPSON - 32.768KHZ晶体谐振器,32.768KHZ无源晶振,KHZ范围晶体单元,晶体及时钟芯片,32.768K晶体,KHZ RANGE CRYSTAL UNIT,32.768K晶体单元,32.768无源晶振,32.768KHZ晶体单元,32.768KHZ晶体,32.768晶体,32.768K晶体谐振器,32.768K无源晶振,32.768晶体单元,32.768晶体谐振器,FC-135 32.768000 KHZ 7.0 +20.0-20.0,FC-135 32.768KHZ,FC-13532.768000KHZ7.0+20.0-20.0,Q13FC1350004511,Q13FC1350000211,Q13FC1350000200,Q13FC13500002XX,Q13FC13500002,FC135,FC-135 32.768000KHZ,FC-135 32.768K,Q13FC1350000300,Q13FC1350000400,Q13FC1350000411,Q13FC1350004900,FC-135,工业电子,消费电子,汽车电子,通信设备
32.768KHz无源晶振选型，从KHz至GHz全覆盖的无源晶振供应商爱普生
爱普生是全球最大的晶体时钟产品提供商之一，且是全球最大的晶率覆盖范围厂商之一，实现从KHz至GHz全覆盖。全球共有11家工厂，晶体和IC都能自主研发生产，可以保证供货安全性。供货稳定，一致性好，性能更稳定，5年以上都不会产生频偏、停振等。爱普生无源晶振，封装全、频率覆盖广、性能稳定。
Epson（爱普生） FC-135（Q13FC13500004XX）32.768kHz频率范围无源晶振数据手册（英文）
32.768kHz FC-135（Q13FC13500004XX）无源晶振数据手册
EPSON - 32.768KHZ晶体谐振器,32.768KHZ无源晶振,KHZ范围晶体单元,晶体及时钟芯片,32.768K晶体,KHZ RANGE CRYSTAL UNIT,32.768K晶体单元,32.768无源晶振,32.768KHZ晶体单元,32.768KHZ晶体,32.768晶体,32.768K晶体谐振器,32.768K无源晶振,32.768晶体单元,32.768晶体谐振器,FC-135 32.768K,FC-13532.768000KHZ12.5+20.0-20.0,FC-135 32.768000 KHZ 12.5 +20.0-20.0,FC-135 32.768KHZ,Q13FC1350000400,Q13FC1350000411,Q13FC13500004XX,Q13FC13500004,FC-135,FC135,工业电子,消费电子,汽车电子,通信设备
Epson（爱普生）MC-146(Q13MC1462000200) 32.768kHz频率范围无源晶振详细数据手册
32.768kHz MC-146(Q13MC1462000200)无源晶振详细数据手册
EPSON - 32.768KHZ晶体谐振器,32.768KHZ无源晶振,晶体及时钟芯片,32.768K晶体,晶体单元,32.768K晶体单元,32.768无源晶振,32.768KHZ晶体单元,32.768KHZ晶体,32.768晶体,32.768K晶体谐振器,32.768K无源晶振,CRYSTAL UNIT,32.768晶体单元,32.768晶体谐振器,Q13MC1461000600,MC146,Q13MC1461001711,Q13MC1461000200,Q13MC1461000111,Q13MC1461000100,MC-146 32.768KHZ,MC-146 32.768K,MC-146,Q13MC1462000200,Q13MC1462000100,Q13MC1462000111,Q13MC1462001111,MC-146 32.768000KHZ,工业电子,消费电子,汽车电子,通信设备
选用了芯科4463做远距离无线通信模块，已经用了10ppm的无源晶振做射频参考时钟，但我还想提高射频中心频率的稳定性，请问有什么办法？
对于提高射频中心频率的稳定性，最直接有效的方案就是提供射频参考时钟的温度稳定性，10ppm频率已经不低了，但还有更好的。给你推荐EPSON的TCXO（即温补晶振），TG-5006CG系列，30M 具体ON是X1G004211002700，2520封装，可以达到1ppm频率误差，你可以试试。
【经验】无源晶振设计中关于负载电容CL大小取值、提升晶振设计精度、KHz无源晶振停震等问题的解决方案
无源晶振设计时，会经常遇到一些关于负载电容CL大小取值、提升晶振设计精度、KHz无源晶振停震、音叉臂晶振精度漂移、高温下无源晶振的精度是否等同低温下的精度等问题的困扰，以EPSON（爱普生）TSX-3225系列晶振X1E000021059600为例，本文将针对如上问题的解决方案做技术经验分享。
【经验】无源晶振负载电容对谐振电阻的影响
本文介绍了Epson无源晶振的负载电容的影响、晶体负载电容计算方式以及选择负载电容所需注意的三大要点。
项目上用到一颗24M的无源晶振，请推荐合适的，需要±20ppm的精度，3225封装，负载电容都可以。
推荐EPSON X1E000021012900这颗，资料链接https://www.sekorm.com/doc/38992.html
Epson（爱普生） MC-306/MC-405/MC-406 32.768 kHz (20 kHz ～ 165 kHz)频率范围表贴式（SMD）无源晶振数据手册
32.768 kHz (20 kHz ～ 165 kHz) MC-306/MC-405/MC-406表贴式（SMD）无源晶振数据手册
EPSON - 32.768KHZ晶体谐振器,32.768KHZ无源晶振,晶体及时钟芯片,32.768K晶体,晶体单元,32.768K晶体单元,32.768无源晶振,32.768KHZ晶体单元,32.768KHZ晶体,32.768晶体,32.768K晶体谐振器,32.768K无源晶振,32.768晶体单元,32.768晶体谐振器,KHZ 频率范围晶体单元,Q1MC406100,Q13MC3061001811,Q13MC3061000600,Q13MC3061000300,Q13MC3062000311,Q1XMC3061XXXX00,MC-306 32.768K,Q13MC3062000611,MC-306 32.768KHZ,MC-406 32.768KHZ,MC-306 32.768000 KHZ,Q1MC405100,MC-405,MC-306,MC-406,Q13MC3061000611,Q13MC3061000311,Q13MC3062000300,Q14MC3061004511,MC-405 32.768KHZ,MC-405 32.768000 KHZ,MC-405 32.768K,MC406,Q1MC306100,Q13MC4061000100,Q13MC4052000211,MC-406 32.768000KHZ,Q1XMC4051XXXX00,Q1XMC4061XXXX00,Q13MC3062000600,MC306,MC405,MC-406 32.768K,工业电子,消费电子,时钟和微型计算机,汽车电子,通信设备
Epson（爱普生）MC-146(Q13MC1461000600) 32.768kHz频率范围无源晶振详细数据手册
32.768kHz MC-146(Q13MC1461000600)无源晶振详细数据手册
EPSON - 32.768KHZ晶体谐振器,32.768KHZ无源晶振,晶体及时钟芯片,32.768K晶体,晶体单元,32.768K晶体单元,32.768无源晶振,32.768KHZ晶体单元,32.768KHZ晶体,32.768晶体,32.768K晶体谐振器,32.768K无源晶振,CRYSTAL UNIT,32.768晶体单元,32.768晶体谐振器,Q13MC1461000600,MC146,Q13MC1461001711,Q13MC1461000200,Q13MC1461000111,Q13MC1461000100,MC-146 32.768KHZ,MC-146 32.768K,MC-146,Q13MC1462000200,Q13MC1462000100,Q13MC1462000111,Q13MC1462001111,MC-146 32.768000KHZ,工业电子,消费电子,汽车电子,通信设备
医疗产品上需要一款无源晶振，频点16MHz，负载电容9pF ，精度要求+/-10ppm，请问有合适的吗？
推荐EPSON的 X1E000021037500，资料链接https://www.sekorm.com/doc/50390.html
电子商城
现货市场
服务
提供CE测试服务，通过晶体回路匹配分析，给出测试报告。支持EPSON所有MHz无源晶体、32.768KHz晶体。支持到场/视频直播测试，资深专家全程指导。
实验室地址： 深圳/上海 提交需求>
可定制射频隔离器/环行器（10M-40GHz），双工器/三工器（30MHz/850MHz-20GHz），滤波器（DC-20GHz），功分器，同轴负载，同轴衰减器等射频器件；可定制频率覆盖DC~110GHz，功率最高20KW。
最小起订量： 1 提交需求>
授权代理品牌：集成电路
授权代理品牌：分立元件
授权代理品牌：接插件及结构件
授权代理品牌：部件、组件及配件
授权代理品牌：电源及模块
授权代理品牌：电子材料
授权代理品牌：仪器仪表及测试配组件
授权代理品牌：电工工具及材料
授权代理品牌：机械电子元件
授权代理品牌：加工与定制
我要提问
登录 | 立即注册
提交评论