計時模塊使用石英晶體技術指導
　　眾所周知石英晶體是一種用于計時系統(tǒng)的頻率元器件,尤其是32.768K系列,幾乎所有基準時鐘模塊都要用到它們,世界上第一顆晶體在100多年前誕生于美國,發(fā)展到今天,已經是非常傳統(tǒng)的產業(yè)了.而且與我們的日常和工作緊密相連,雖然我們很少見到32.768K晶振,但它時時伴隨我們左右,手機里,電腦里,座機里都有它們的身影.但很少人知道,石英晶體最早是應用到手表和鐘表上面的,后來廣泛使用到各種各樣不同的產品身上.
　　自推出以來,32.768kHz微型手表晶體已成為有史以來最流行的計時參考.本應用筆記旨在為在計時應用中使用石英晶振提供一些指導.在幾乎所有情況下,為了方便和節(jié)省成本,設計人員都希望為此應用使用簡單的邏輯門振蕩器.通常適用于此類設計的標準是:它應該準確,低成本和低功耗.使用監(jiān)視晶體和CMOS邏輯,可以滿足所有這些條件.

　　在CMOS振蕩器電路中,功耗隨頻率而增加,因此將工作頻率降低到最小是有意義的.這就是選擇32.768kHz的原因.減少CMOS電路功耗的第二種方法是減小任何驅動負載的尺寸.出于這個原因,部分原因是手表石英晶體的設計工作負載通常為12.5pF,而不是通常的20或30pF.它還與以下問題有關:(a)除非使用了低晶體負載電容,否則在手表所用的低電壓下,所用的CMOS類型會耗盡蒸汽;(b)在保持適當的逆變器輸入電壓的同時保持晶振驅動電平低;
　　(c)允許使用非常小的微調電容器,同時仍提供必要的微調范圍.
　　CMOS反相器振蕩器的基本要求可以通過一個門和少數幾個提供偏置和反饋的組件來滿足.圖1顯示了這種類型的典型電路.石英晶振看到的負載電容是Cout和Cin與任何電路雜散的串聯組合,包括邏輯門輸入和輸出引腳電容.圖1中使用的分量值工作良好,并且與從Saunders140晶體阻抗計獲得的測量測試結果具有良好的相關性.SMD晶振的視在負載電容為:

　　Cout=柵極輸出電容器Cin=柵極輸入電容器

　　這樣得出的負載為6.9pF.這遠低于要求的12.5pF數值,但是邏輯門的輸入和輸出引腳都存在明顯的負載.這些附加值需要加到6.9pF.每個引腳的這些負載通常約為3pF至4pF,但最高可達10pF,并且還取決于所使用的邏輯系列.這些額外的石英晶振負載以及電路中的任何雜散電容應加起來約為12.5pF.
　　如果需要可調整的振蕩器,則可以用一個固定的10pF電容器與一個2pF至22pF的調整器并聯來代替22pF的輸出電容器.為了獲得最佳結果,應使用NPO,COG或類似的低溫系數介電電容器以獲得最佳穩(wěn)定性.
　　諸如此類的振蕩器的經常表達的要求是緊密的公差,通常確實在其中將不提供微調器的布局中.除了電容容差的影響外,還必須意識到,由于其值很低,歸因于IC的稍微可變的阻抗將導致一定程度的不確定相移,從而導致振蕩頻率.強烈建議使用微調器,因此,無論實際的晶振容差如何,如果需要的精度都優(yōu)于±50ppm.

　　另一個重要的影響是由于溫度變化.低于1MHz的手表晶體和其他類似類型的晶體具有拋物線頻率-溫度特性,設計周轉溫度為25°C(見圖3).周轉溫度和拋物線曲率常數的容差通常分別為±3°C和0.038ppm/°C2,這意味著僅在有限的溫度范圍內才能保持接近的容差.當然,這在手表中幾乎沒有什么意義,因為在使用中它會保持接近晶體的周轉溫度,但是如果工作溫度范圍在一定范圍內,則與AT切割單元相比,這種類型的晶體的成本效益較低.要求寬于0至50°C.
　　圖2所示為4.194304MHz(32.768kHzx27)AT切割貼片晶體的類似電路.C3和C4旨在促進對在12pF的標準時鐘晶體負載下校準的晶體進行精確的頻率修整.如果不需要修整,則用18pF或22pF固定單元替換這些電容器(選擇導致振蕩最接近標稱頻率的值),或者完全省略它們,并指定要在30pF負載下校準的晶體.
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