PCB上晶體振蕩電路的設計

今天主要給大家簡單介紹一下：PCB 上晶體振蕩電路的設計。

在大部分電路中，設計晶體振蕩電路是經常會遇到的。網絡上也有很多關于晶體振蕩器設計的筆記，不過都是針對大規模生產，這種方法也需要投入大量的測試和不斷地進行優化。

這篇文章更加適合小型的電路項目，可以幫助你設計晶體振蕩器和選擇合適的負載電容。

一、PCB上 晶體振蕩電路設計步驟

這里主要有 4個簡單的步驟：

1、選擇晶體振蕩器

選擇晶體振蕩器需要考慮到以下3 個因素：

可拉性與功耗

振蕩器對頻率變化的功耗啟動時間與封裝尺寸

上電后達到穩定振蕩所需要的時間成本

1) 可拉性與功耗

一般來說，拉力低的晶體振蕩器需要較大的負載。每個振蕩周期都必須要釋放電容的能力，因此更大的負載電容意味著更高的功耗損耗。

很多微控制器的 datasheet 中都會有推薦負載電容的最大值，這樣的話可以減低驅動電路中的功耗。

2) 振蕩器對頻率變化的功耗啟動時間與封裝尺寸

較小的晶體振蕩器封裝具有較大的 ESR ，較大的 ESR 會提供較大的臨界增益（gm_crit），從而降低增益寬=裕度。

增益裕度降低意味著晶體需要更長的時間才能啟動。

3) 上電后達到穩定振蕩所需要的時間成本

其實很多時候性能和成本并不是強關聯，如果在滿足性能下，可以選擇成本相對較低的晶體振蕩器。

2、檢查微控制器是否可以驅動晶體振蕩器

通常來微控制器的 datasheet 中會提供一些關于怎么選擇晶體振蕩器。這些參數與臨界增益由關，臨界增益是微控制器電路啟動晶體振蕩器所需的最小增益。

有的 datasheet 還會提供一組給定頻率和負載電容的晶體振蕩器允許的最大的 ESR。

如果微控制器數據表提供振蕩器跨導（通常以uA/V為單位）或最大臨界增益，那么我們需要計算晶體的臨界增益并檢查微控制器是否可以驅動它。

下面為臨界增益計算公式：

臨界增益公式

在這個公式中：

F是晶體振蕩器的標稱頻率

ESR 是晶體的等效串聯電阻

CO 是晶振并聯電容

CL 是晶體的標稱負載電容

臨界增益是晶體的一個屬性，這些參數在晶體的數據手冊中。

接下來計算增益裕度。如果增益余量大于5，則振蕩器將可靠啟動。更大的增益余量意味著更快的振蕩器啟動。

晶體振蕩器的啟動條件：增益余量大于5，如下公式所示：

晶體振蕩器的啟動條件

下面為增益裕度計算公式：

增益裕度

或者，一些微控制器數據表提供了最大臨界增益gm_crit_max。在這種情況下，gm_crit必須小于gm_crit_max。

如果微控制器不滿足驅動晶振的要求，就需要重新選擇晶體振蕩器。

3、晶體振蕩器的功耗

datasheet 中會指定了晶體的驅動電平 （DL），驅動電平基本上是晶振正常工作時的最大額定功率。

驅動電平的粗略估計可以用下面這個公式計算：

驅動電平驅動電平計算公式

在上面這個公式中：

△V是峰峰值振蕩器電壓——最壞的情況：△V=Vcc

如果估計值低于晶體振蕩器的額定驅動電平，則直接進行下一步。

符合要求的驅動電平

如果估計值高于晶體振蕩器的額定驅動電平，你可以改進估計值或者重新另外的晶體振蕩器。

4、選擇負載電容 CL1和 CL2

第一次設計晶體振蕩電路的時候，先假設兩個負責電容是并聯的。選擇了CL1=CL2=0.5*CL，但經過驗證過后，這是錯誤的。

負載電容是晶體兩端所需的電容，因此 CL1 和CL2 串聯。負載電容的計算公式如下所示：

負載電容的計算公式

將負載電容的計算公式簡化一下，簡化后的公式如下所示：

簡化后的負載電容計算公式

Cstray 是來自微控制器引腳和走線電容的雜散電容的累積，很多有經驗的工程師建議，將這個值估計為 5pF 左右。

則公式為以下：

負載電容公式

一些微控制器數據手冊提供了更準確數據一一例如，msp430f22x2系列指定了 1pF 的雜散電容，非常適合其低功耗模型。

二、PCB 中晶體振蕩電路設計

這里希望通過 PCB 布局來最小化振蕩器和外部信號之間的耦合，因為高頻耦合會激發晶體振蕩器的高次諧波，晶振是干擾外部電路的噪聲源。

具體有以下幾點需要注意：

1、晶體振蕩器靠近微控制器

短走線具有低互感和電容，長走線具有高互感和電容。使晶體靠近微控制器可以縮短走線，從而減少耦合。所以走線的長度盡可能短，但不能與其他信號線交叉。

2、振蕩器電路與高頻電路隔離開

路由非振蕩器信號時，高頻電路要遠離振蕩器電路。也可以考慮使用帶有通孔的銅跡線，圍繞著振蕩器電路，這將減少外部信號線和振蕩器之間的互感。

振蕩器電路與高頻電路隔離開

通常的做法是將振蕩器電路下方的接地層分開，僅在一點點連接分離的接地層，就在微控制器接地旁邊。這可以防止來自其他信號源的返回電流通過振蕩器使用的接地層。上圖的示例就是按照這種方法，只是沒有很明顯。

3、晶振靠近 CPU 芯片擺放，但要盡量遠離板邊。

因為內部石英晶體的存在，由于外部沖擊或跌落容易損壞石英晶體，從而造成晶體不振蕩，在設計可靠的安裝電路時要考慮晶體，靠近 CPU 芯片的位置優先放置遠離板塊的一面。

晶振放置圖

（圓柱晶振）外殼接地后，加一個與晶振形狀相似的長方形焊盤，讓晶振“平放”在這個焊盤上，并在焊盤的兩個長邊附近開一個孔（孔要落在焊盤上，最好用多層焊盤代替孔，兩個多層焊盤要接矩形焊盤），然后用銅線或其他裸線將晶振“箍”起來，銅線的兩端焊接在你開的兩個孔或焊盤上。這樣可以避免高溫焊接對晶振的損壞，保證良好的接地。

4、手工或機器焊接時，要注意焊接溫度

晶振對溫度敏感，焊接時溫度不宜過高，加熱時間盡量短。

5、耦合電容應盡量靠近晶振的電源管腳放置

放置順序：根據功率流向，按電容值從小到大排列，電容最小的電容值最接近電源引腳。

6、晶振外殼接地

晶振外殼接地（如果接地影響負載電容的話，就不能接地），既可以從晶振向外輻射，也可以屏蔽外界信號對晶振的干擾。

7、不要在晶振下方布線，確保完全鋪設好地線

在晶振 300mil 范圍內不要布線，以免晶振干擾其他布線、器件和層的性能。

8、時鐘信號的走線盡量短，線寬要大一些

時鐘信號的走線盡量短，線寬要大一些。在布線長度與熱源的距離之間找到平衡點。

三、示例1∶為 STM32 設計 8MHZ 晶體振蕩器

1、選擇晶振

STM32F427 數據手冊中要求：

對于 4-26MHz 晶體，Gm_crit_max=1mA/V

頻率容差必須為 +/-500ppm 或更好

CL1 和 CL2 建議在 5pF 到 25pF 之間

這里我們選擇 7A-8.000MAAJ-T，雖然 STM32 的引腳間距為0.5mm，但晶振的尺寸小，可以放置在靠近在 STM32的位置。

7A-8.000MAAJ-T 晶振的特性：

CL= 18 pF

ESR= 60 Ω

頻率穩定性= 50 ppm

頻率容差= 30 ppm

CO= 7pFmax

驅動電平（DL）= 500uW max

2、檢查微控制器是否可以驅動晶振，計算 gm_crit（增益裕度）∶

gm_crit計算公式

所以gm_crit低于Gm_critmax，振蕩器電路將可靠啟動。

3、晶振可以處理功率損耗嗎？

這里粗略估計電路的驅動電平∶

驅動電平計算公式

計算得 DL =267uW，低于晶體允許的最大驅動電平500uW。

4、選擇 負載電容 CL1 和 CL2

假設 Cstray=5pF，則∶

負載電容公式

CL1=26pF

STM32 建議將 CL1和CL2保持在 25pF 以下，所以可以選 24 pF 的電容。

四、示例2∶為 ATMEGA328 選擇 16MHZ 晶體振蕩器

1、選擇晶振

ATMega328 數據手冊的要求：

16MHz 的最小電壓為 3.78V，以適應安全操作，如圖下所示。要驅動 16MHz 時鐘，我們必須在 3.78V 或以上，對于本設計，我們在 5V 下工作。

CL1 和 CL2 建議在 12pF 到 22pF 之間

ATMega328 數據手冊

這里選擇 9B-16.000MAAE-B 晶振。9B-16.000MAAE-B 晶振 的特性參數如下所示：

CL= 12pF

ESR = 30Ω

頻率穩定性= 30ppm

頻率容差= 30ppm

C0= 7pFmax

驅動電平（ DL）=500uWmax

2、檢查微控制器是否可以驅動晶振

ATMega328 的數據表中沒有跨導規范，這里就必須讓開發人員設置好保險絲，以便在填充 PCB 后啟用振蕩器。

3、晶振可以處理功率損耗嗎？

粗略估計電路的驅動電平（DL）∶

驅動電平計算

驅動電平（ DL ）=545uW。

驅動電平估計值太高。但是，如果選擇 CL1并且表明設計的功耗是可以承受的，就可以改進這個估計值。

4、選擇 負載電容 CL1 和 CL2

假設Cstray=5pF，則∶

負載電容 計算

CL1= 14PF。

審核編輯：湯梓紅