晶振、陶瓷諧振槽路、RC (電阻、電容)振蕩器以及硅振蕩器是適用于微控制器(μC)的四種時(shí)鐘源。針對(duì)具體應(yīng)用優(yōu)化時(shí)鐘源設(shè)計(jì)依賴于以下因素:成本、精度和環(huán)境參數(shù)。本篇應(yīng)用筆記討論了與微控制器時(shí)鐘選擇有關(guān)的各種因素,并對(duì)不同類型的振蕩器進(jìn)行了比較。
概述
微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類:基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源,如晶振、陶瓷諧振槽路;基于相移電路的時(shí)鐘源,如:RC (電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的 RC 振蕩器,為了提高穩(wěn)定性,包含有時(shí)鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)取D 1 給出了兩種時(shí)鐘源示例,其中圖 1a 為皮爾斯振蕩器配置,用于機(jī)械式諧振器件,如晶振和陶瓷諧振槽路。圖 1b 為簡(jiǎn)單的 RC 反饋振蕩器。
圖 1. 簡(jiǎn)單時(shí)鐘源:(a) 皮爾斯振蕩器、(b) RC 反饋振蕩器
機(jī)械式諧振器與 RC 振蕩器的主要區(qū)別
基于晶振與陶瓷諧振槽路(機(jī)械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對(duì)而言,RC 振蕩器能夠快速啟動(dòng),成本也比較低,但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差,會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的 5%至 50%范圍內(nèi)變化。圖 1 所示的電路能產(chǎn)生可靠的時(shí)鐘信號(hào),但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認(rèn)真對(duì)待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí),陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高 Q 值的晶振對(duì)放大器的選擇并不敏感,但在過驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有:電磁干擾(EMI)、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)增大輸出頻率的變化,增加抖動(dòng),并且在有些情況下,還會(huì)造成振蕩器停振。
振蕩器模塊
上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出,并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立 RC 振蕩器高,多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?/p>
功耗
選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS 放大器功耗與工作頻率成正比,可以表示為功率耗散電容值。比如,HC04 反相器門電路的功率耗散電容值是 90pF。在 4MHz、5V 電源下工作時(shí),相當(dāng)于 1.8mA 的電源電流。再加上 20pF 的晶振負(fù)載電容,整個(gè)電源電流為 2.2mA。
陶瓷諧振槽路與晶振電路相比一般具有較大的負(fù)載電容,使用相同放大器時(shí)相應(yīng)地也需要更多的電流。
相比之下,由于包含了溫度補(bǔ)償和控制功能,晶振模塊一般需要電源電流為 10mA 至 60mA。
硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能,范圍可以從低頻(固定)器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器,如 MAX7375,工作在 4MHz 時(shí)只需不到 2mA 的電流。
結(jié)論
在特定的微控制器應(yīng)用中,選擇最佳的時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素:精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。下表給出了幾種常用的振蕩器類型,并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
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