硅振蕩器可以取代大多數微控制器（μC）時鐘電路中的晶體和陶瓷諧振器器件。除了抗振動、沖擊和抗EMI的優點外，硅基定時器件比晶體或陶瓷諧振器更小、更易于使用。本應用筆記說明了如何用硅振蕩器器件代替常見的晶體和陶瓷諧振器時鐘電路。

介紹

硅振蕩器是一種簡單有效的解決方案，可滿足大多數微控制器 （μC） 時鐘需求。與基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器不同，硅基定時器件對振動、沖擊和電磁干擾 （EMI） 效應相對不敏感。此外，硅振蕩器不需要仔細匹配定時元件或電路板布局。

除了應用中的任何環境考慮因素外，時鐘源的選擇標準通常取決于四個基本參數：精度、電源電壓、尺寸和噪聲。精度要求通常由為應用定義的通信標準確定。例如，高速USB要求總時鐘精度為±0.25%。相比之下，沒有外部通信的系統可以很好地運行，時鐘源精度為5%、10%甚至20%。

硅振蕩器與晶體或陶瓷諧振器的比較

微控制器時鐘電源電壓范圍通常為 1V 至 5.5V。硅振蕩器的電源電壓通常為2.4V至5.5V。

時鐘噪聲受多種來源影響，包括放大器噪聲、電源噪聲、電路板布局和振蕩元件的固有噪聲抑制（或“Q”）特性。憑借其高Q值，晶體通常產生噪聲最低的振蕩器電路，使其特別適合需要低基帶噪聲的系統，如音頻編解碼器。

然而，硅振蕩器通常占用最小的空間，不需要額外的定時元件。通常，電源旁路電容器是大多數硅振蕩器所需的唯一外部元件。

皮爾斯振蕩器

基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器通常實現為皮爾斯振蕩器，其中晶體或諧振器用作反相放大器反饋中的調諧元件。為了在這種設計中穩定工作，相移補償和增益控制由額外的電容器和電阻器提供。此外，電阻器提供防止過驅所需的阻尼，過驅動可能會永久損壞晶體或諧振器。

圖1顯示了兩個皮爾斯振蕩器示例。圖1a是使用外部電容和電阻的典型晶體振蕩器電路。圖1b顯示了使用集成補償電容的三端陶瓷諧振器的皮爾斯振蕩器。每種設計的元件值取決于工作頻率、電源電壓、逆變器類型、元件類型（晶體或諧振器）和制造商。

圖1.晶體和三端陶瓷諧振器皮爾斯振蕩器。

皮爾斯振蕩器最常見的實現方式是使用CMOS反相柵極作為放大器。雖然通常不如基于晶體管的振蕩器穩定且功耗更高，但基于CMOS逆變器的設計簡單且在各種條件下都非常有用。雖然緩沖和非緩沖逆變器都可用于放大器元件，但無緩沖逆變器是首選，因為它們產生更穩定的振蕩器，盡管功耗增加。無緩沖柵極沒有強大的輸出級，因此必須由標準逆變器緩沖，以驅動長電路板走線。

硅振蕩器的優勢

最簡單的時鐘源由獨立的振蕩器器件提供，例如硅振蕩器。這些器件在指定頻率下產生方波，直接施加于μC時鐘輸入。硅振蕩器不依靠機械諧振特性來得出振蕩頻率;它們使用內部 RC 時間常數。這種設計使硅基器件相對不受外部機械影響。此外，由于缺少裸露的高阻抗節點，例如傳統振蕩器中的節點，使得硅振蕩器對濕度和EMI效應的耐受性更高。

替代硅振蕩器

用硅振蕩器代替晶體或諧振器器件時，首先丟棄與振蕩器電路相關的任何元件。這通常涉及移除一個或兩個電阻器和兩個電容器（如果諧振器封裝中未包含這些電阻和電容器）。然后，可以將振蕩器放置在方便的位置，并將時鐘輸出連接到μC時鐘輸入（OSC1）引腳。振蕩器器件的電源應與μC時鐘輸入電路的電源相同。

圖2和圖3顯示了MC68HC908 μC的振蕩器電路。 圖2顯示了三端陶瓷諧振器的推薦電路。圖3所示電路采用硅振蕩器，本例中為MAX7375，采用SC70封裝，尺寸僅為2.0mm x 2.1mm，包括引線。

圖2.MC68HC908 μC，內置基于三端諧振器的小型振蕩器。

圖3.MC68HC908 μC，采用MAX7375硅振蕩器。

硅振蕩器的電路板放置通常并不重要，因為這些器件輸出低阻抗方波，可以在合理的距離內傳輸，而不必擔心來自其他信號的干擾。硅振蕩器還將驅動多個時鐘目的地。與任何高速信號一樣，時鐘輸出在驅動長走線長度時會產生電磁輻射。通過將電阻與每個時鐘信號串聯并在時鐘發生器引腳附近放置一個電阻，可以將這些輻射降至最低。圖4顯示了MAX7375驅動兩個時鐘目的地，每個時鐘目的地都有電阻。

圖4.串聯電阻器可最大限度地減少電磁輻射。

審核編輯：郭婷