自推出以來32.768K微型手表水晶已經(jīng)成為有史以來受歡迎的計時基準(zhǔn).該篇文章主要講的內(nèi)容是為石英晶振在計時應(yīng)用中的使用提供一些指導(dǎo).

出于方便和成本的考慮,在幾乎所有情況下,設(shè)計者都希望在此應(yīng)用中使用簡單的邏輯門振蕩器.通常應(yīng)用于這類設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)是,它應(yīng)該準(zhǔn)確,低成本和低功耗.使用手表晶體和CMOS邏輯可以滿足所有這些標(biāo)準(zhǔn).

在CMOS石英晶體振蕩器電路中,功耗隨著頻率的增加而增加,因此將工作頻率降至最低是有意義的;這就是選擇32.768kHz的原因.降低CMOS電路功耗的第二種方法是減小任何被驅(qū)動負載的尺寸.部分是因為這個原因,手表晶體被設(shè)計成通常在12.5pF負載下工作,而不是更常見的20pF或30pF負載.這也與:(a)除非使用低晶體負載電容,否則所使用的CMOS類型在手表中使用的低電壓下會耗盡蒸汽；(b)保持石英晶振驅(qū)動電平低,同時保持足夠的逆變器輸入電壓,以及(c)允許使用非常小的微調(diào)電容器,同時仍然提供必要的微調(diào)范圍.

CMOS反相器振蕩器的基本要求可以通過單個門和少數(shù)其他部件來提供偏置和反饋.圖1顯示了這種類型的典型電路.石英晶體看到的負載電容是Cout和Cin以及包括邏輯門輸入和輸出引腳電容在內(nèi)的任何電路串的串聯(lián)組合.圖1中使用的分量值工作良好,并與Saunders140晶體阻抗儀測量的測試結(jié)果有很好的相關(guān)性.呈現(xiàn)給晶體的表觀負載電容為:

Cout=柵極輸出電容器Cin=柵極輸入電容器

圖1

這給出了6.9pF負載的數(shù)字.這遠低于12.5pF的要求值,但是邏輯門的輸入和輸出引腳都有相當(dāng)大的負載.這些額外的值需要添加到6.9pF.這些負載石英晶振通常在每個引腳3pF到4pF的數(shù)量級,但最高可達10pF,還將取決于所使用的邏輯系列.這些額外的負載加上電路中的任何雜散電容總和應(yīng)該達到大約12.5pF

如果需要可微調(diào)振蕩器,22pF輸出電容可以由固定的10pF電容代替,并與2pF至22pF微調(diào)器并聯(lián).為了獲得最佳結(jié)果,NPO,COG或類似的低溫系數(shù)介電電容器應(yīng)該用于獲得最佳穩(wěn)定性.

對石英晶體振蕩器的一個經(jīng)常表達的要求是嚴(yán)格的公差,實際上經(jīng)常是在沒有為修剪器做準(zhǔn)備的布局中.除了電容器容差的影響之外,必須意識到,因為它們的值很低,IC的可變阻抗會導(dǎo)致不確定的相移,從而導(dǎo)致振蕩頻率.因此,強烈建議使用修剪器,如果精度高于50ppm,不管實際晶體公差如何.

另一個重要的影響是由于溫度變化.手表晶體和其他低于1兆赫茲的類似類型具有拋物線頻率-溫度特性,并有設(shè)計周轉(zhuǎn)

圖2

溫度為25℃(見圖3).翻轉(zhuǎn)溫度和拋物線曲率常數(shù)的公差,通常分別為3°C和0.038ppm/C2,意味著只能在有限的溫度范圍內(nèi)保持緊密的公差.當(dāng)然,這在手表中沒有什么影響,因為在使用中,它保持接近貼片晶振的翻轉(zhuǎn)溫度,但是如果希望工作溫度范圍大于0-50℃,這種類型的晶體的選擇會比AT切割裝置成本低.

圖3

4.194304mHz(32.768kHz×27)AT切割晶振的類似電路如圖2C3和C4所示,旨在促進在標(biāo)準(zhǔn)時鐘晶體負載12pF下校準(zhǔn)的晶體的精確頻率微調(diào).如果不需要微調(diào),或者用18pF或22pF固定單元替換這些電容器(選擇最接近標(biāo)稱頻率的振蕩值),或者完全省略它們,并指定在30pF負載下校準(zhǔn)的晶體.

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