负载电容的计算方法
在进行电路设计时,许多工程师不知道如何计算晶体振动的负载电容变化。在设计中,许多人根据自己的经验增加了20个PF,或者22PF,18PF。
晶体振动的两个引脚与芯片(如单片机)内的反相器相连,然后与外部匹配的电容器相结合CL1、CL2、R1、R2,组成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)。如下图所示:
上图中,U一是反相放大器,增益很大,CL1、CL2为匹配电容,是电容三点电路的分压电容,接地点为分压点。以接地点为参考点,即分压点,输入输出相反,但从并联谐振电路,即石英晶体两端,形成正反馈,确保电路持续振荡,对振荡频率影响较小,主要用于微调频率和波形,影响范围。 X一是晶体,相当于三点内的电感,R一是反馈电阻(一般)≥1MΩ),它使反相器在振荡初期处于线性工作区,R2与匹配的电容器形成网络,提供180度相移,同时限制振荡范围,防止反向器输出对晶体振动损坏。
这是一个非常重要的晶体振动参数,即负载电容CL(Load capacitance),它是电路中跨晶体两端的总有效电容器(非晶体振动外部匹配电容器),主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。振荡器电路的工作频率可通过调整负载电容器微调到标称值。
负载电容的公式如下:
C_L=C_S (C_D×C_G)/(C_D C_G )
其中,CS晶体两个管脚之间的寄生电容(Shunt Capacitance)
CD表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容,包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容器CO、配电容CL2,即CD=CPCB CO CL2
CG表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容,包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容器CI、配电容CL1,即CG=CPCB CI CL1
一般CS为1pF左右,CI与CO一般有几种皮革方法,可见芯片或晶振数据手册
(这里假设CS=0.8pF,CI=CO=5pF,CPCB=4pF)。
例如,规格上的负载电容值为18pF,则有
则CD=CG=34.4pF,计算出的匹配电容值CL1=CL2=25pF
当我们描述频偏时,我们通常会描述频偏ppm作为单位描述,ppm百万分之一意味着100^-6.如果我们有晶振,它的频率值是12MHZ,但是我们测试了11.99998MHZ。那么Foffset=12-11.99998=0.00002MHZ。
ppm=(0.00002/12)*10^6=1.67。
选择晶振时,一般选择精度较好的。STM其实32这样的芯片ppm<30的时候 基本可以接受。