晶振电容的选择

本文介绍了在设计带有睡眠唤醒功能的系统时,如何选择合适的晶振以确保低功耗下的稳定运行。文章强调了晶体的选择对于系统可靠性的重要性,并提供了关于谐振频点、负载电容、激励功率等方面的选择建议。此外,还讨论了如何选择起振电容以提高电路的稳定性。

1:如何选择晶振
对于一个高可靠性的系统设计,晶体的选择非常重要,尤其设计带有睡眠唤醒(往往用低电压以求低功耗)的系统。这是因为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,原因是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)。晶体的选择至少必须考虑:谐振频点,负载电容,激励功率,温度特性,长期稳定性。一般来说某一种单片机或外围芯片都会给出一个或几个典型适用的晶振,常用的像51单片机用12M晶振,ATmega系列单片机可以用8M,16M,7.3728M等。这里有一个经验可以分享一下,如果所使用的单片机内置有PLL即锁相环,那么所使用的外部晶振都是低频率的,如32.768K的晶振等,因为可以通过PLL倍频而使单片机工作在一个很高的频率下。

2:如何选择电容起振电容
从原理上讲直接将晶振接到单片机上,单片机就可以工作。但这样构成的振荡电路中会产生偕波(也就是不希望存在的其他频率的波),这个波对电路的影响不大,但会降低电路的时钟振荡器的稳定性. 为了电路的稳定性起见,建议在晶振的两引脚处接入两个瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响,所以晶振必须配有起振电容,但电容的具体大小没有什么 普遍意义上的计算公式,不同芯片的要求不同。
(1):因为每一种晶振都有各自的特性,所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。 (2):在许可范围内,C1,C2值越低越好。C值偏大虽有利于振荡器的稳定,但将会增加起振时间,比较常用的为15p-30p之间。


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### 晶振电容的定义及其作用 #### 1. **晶振电容的定义** 晶振电容是指在晶振电路中连接到晶体两端的有效电容,它是晶振能够正常起振并维持稳定工作的必要条件之一。这种电容分为两种主要形式: - **负载电容(Load Capacitance, CL)**:这是指整个振荡回路中的总有效电容,由外部电容和内部寄生电容共同组成。它的大小直接影响振荡器的工作频率[^1]。 - **谐振电容(Resonant Capacitance)**:这部分电容主要用于调节晶振的谐振频率,通常通过调整外接电容来实现频率微调。 #### 2. **晶振电容的作用** 晶振电容的主要作用体现在以下几个方面: - **频率控制**:负载电容决定了晶振的实际工作频率。当负载电容发生变化,晶振的输出频率也会随之改变。一般来说,增加载荷电容会降低振荡频率,反之亦然[^2]。 - **相位补偿**:晶振电容有助于提供必要的相移,使振荡器满足巴克豪森准则(Barkhausen Criterion),从而保证稳定的正弦波输出[^1]。 - **能量存储与传递**:电容能够在振荡过程中储存部分能量,并将其高效地传递给晶体,帮助维持持续的振荡状态。 - **提高稳定性**:合理选择晶振电容可以减少环境噪声和其他干扰因素的影响,增强系统的整体稳定性。 #### 3. **计算方法** 对于实际应用中的晶振电容取,可以通过以下公式进行估算: \[ C_G = C_D = (C_L - C_S) \times 2 \] 其中: - \( C_G \) 和 \( C_D \) 是接地端口上的电容; - \( C_L \) 表示晶振的数据手册中标注的标准负载电容; - \( C_S \) 则代表集成电路内部固有的寄生电容。 例如,假设某款晶振指定的 \( C_L = 12.5\,\text{pF} \),而芯片内部寄生电容约为 \( C_S = 1.3\,\text{pF} \),则有: \[ C_G = C_D = (12.5 - 1.3) \times 2 = 22.4\,\text{pF} \] 考虑到 PCB 板本身的分布电容大约为 \( 3\sim5\,\text{pF} \),最终所需的外接电容应为: \[ C_{ext} = C_G - C_i - C_\text{PCB} = 22.4 - 3.7 - 3 = 15.7\,\text{pF} \] 因此可以选择标准值接近的 \( 15\,\text{pF} \) 外部电容[^2]。 --- ### 示例代码 以下是一个简单的 Python 计算工具,用于快速估计所需外接电容值: ```python def calculate_external_capacitor(cl, cs, ci, cpcb): """ Calculate the external capacitor value based on given parameters. :param cl: Load capacitance from crystal datasheet (pF) :param cs: Internal parasitic capacitance of IC (pF) :param ci: Parasitic capacitance at pin to ground (pF) :param cpcb: PCB stray capacitance (pF) :return: External capacitor value required (pF) """ cg_cd = (cl - cs) * 2 c_ext = cg_cd - ci - cpcb return round(c_ext) # Example usage load_capacitance = 12.5 # pF internal_parasitic = 1.3 # pF pin_to_ground = 3.7 # pF pcboard_stray = 3 # pF external_capacitor_value = calculate_external_capacitor(load_capacitance, internal_parasitic, pin_to_ground, pcboard_stray) print(f"External capacitor value needed is {external_capacitor_value} pF.") ``` --- ### 结论 综上所述,晶振电容不仅对振荡频率有着至关重要的影响,还参与了相位补偿、能量传输等多个环节,确保晶振电路能够可靠运行。正确配置晶振电容设计高性能电子设备的基础之一。
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