谈谈负载电容27PF~33PF在晶体谐振器振荡电路中起到的作用
Inv:芯片内部反相器
RF:反馈电阻,一般集成在芯片内部,也有的芯片内部不集成RF
XTAL:无源晶振/石英晶体
CL1、CL2:外接电容,其作用是补偿负载电容
CS:由于PCB布线、连接等产生的寄生电容
R Ext:外部限流电阻
XTAL是无源晶振,相当于三点式里面的电感,CL1和CL2就是电容,Inv非门和R1实现一个NPN的三极管。若无源晶振负载CL=20PF,一般情况下,我们选择电容CL1=CL2=27PF~33PF。 选错外接电容可能会造成无源晶振不起振、起振困难或工作不稳定。Inv需要一个电阻,不然它处于饱和截止区,而不是放大区,RF相当于三极管的偏置作用,让Inv处于放大区域,那么Inv就是一个反相器,这个就实现了NPN三极管的作用,NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。
一个正弦振荡电路要振荡的最基本条件为:系统放大倍数大于1。这个条件容易实现,相位满足360度,与晶振振荡频率相同的很小的振荡就会被放大。因为Inv是反相器,即:实现了180°移相,那么就需要CL1,CL2和XTAL实现180°移相就可以。恰好,当CL1,CL2,XTAL形成谐振时,能够实现180移相。实质上,我们可以把无源晶振XTAL看作是一个电感来理解。
当CL1增大时,CL2端的振幅增强,当CL2降低时,振幅也增强。有时,在没有电容CL1和电容C2L的情况之下,无源晶振也能起振,但这并不能说明没有电容CL1和电容CL2,而是因为芯片引脚的分布电容引起。电容CL1和电容CL2本来就不需要很大容值,清楚这一点非常重要。
两个电容对晶振振荡电路稳定性的影响
因为Inv的电压反馈是靠电容CL2,假设电容CL2过大,反馈电压过低,可能会造成晶振振荡不稳定;假设CL2过小,反馈电压过高,储存能量过少,晶振则容易遭受外界干扰,也会辐射影响到外界电路中去。电容CL1的作用与电容CL2恰好相反。
在我们电路板布线时,假设为单层板或双面板,来自分布电容(杂散电容CS)的影响可能不会很大。但是,假设在高密度多层板布线时,就需要考虑分布电容。
针对用于工控项目电路板,建议不要选择无源晶振来提供时钟信号,而是直接采用有源晶振方案。道理很简单,我们需要为无源晶振搭建满足其起振的条件,若条件不被满足时,就容易发生无源晶振不起振或工作不稳定等问题。而工控项目对设备稳定性有严格要求,因此直接选用有源晶振。有源晶振之所以稳定,就是因为它的内部已经搭建好了一个含IC在内的振荡电路.
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