MCU系列0或無線MCU系列0設備,并提供為振蕩器電路選擇正確元件的指南電路.

MCU系列0或無線MCU系列0設備包含兩個晶體振蕩器:一個低速(32.768K)和一個高速(4-50MHz,取決于設備,有關詳細信息,請參見數據表).涵蓋的主題包括振蕩器理論和一些這些設備推薦的晶體.

要點

晶體振蕩器更加精確,并且穩定,但是更貴,而且開始上升速度比鋼筋混凝土和陶瓷振蕩器.了解哪些參數很重要當選擇振蕩器時.了解如何降低功耗當使用外部振蕩器時.

本應用筆記支持多個設備系列,并且某些功能因設備而異.

MCU系列0包括:

EFM32壁虎(EFM32G)

EFM32巨型壁虎(EFM32GG)

EFM32神奇壁虎(EFM32WG)

EFM32豹紋壁虎(EFM32LG)

EFM32微型壁虎(EFM32TG)

EFM32零壁虎(EFM32ZG)

快樂壁虎(EFM32HG)

無線MCU系列0包括:

EZR32神奇壁虎(EZR32WG)

EZR32豹紋壁虎(EZR32LG)

快樂壁虎(EZR32HG)

振蕩器理論

2.振蕩器理論

2.1什么是振蕩器?

石英晶體振蕩器是產生重復或周期性時變信號的電子電路.在MCU系列0或無線MCU系列0設備,此振蕩器信號用于時鐘執行指令,數字邏輯和中的通信設備.產生這種信號有多種方式,每種方式都有不同的特性,影響項目成本,電路板尺寸和時鐘信號的穩定性.

RC振蕩器

RC振蕩器由電阻器,電容器和反相放大器組成.它們價格低廉,啟動時間較短但是成分值隨溫度的變化使得很難精確地確定振蕩頻率.MCU系列0或無線MCU系列0設備至少提供三個內部RC振蕩器:一個高頻RC振蕩器(HFRCO),一個低頻RC振蕩器(LFRCO)和一個超低頻RC振蕩器(ULFRCO).此外輔助高頻RC振蕩器(AUXHFRCO)用于閃存編程和調試跟蹤.而內部RC振蕩器將確保MCU系列0或無線MCU系列0設備的正常運行,一些應用需要比這些可以提供.

晶體振蕩器

晶體振蕩器利用晶振的機械振動來產生時鐘信號.由于晶體的分子組成這種類型的振蕩器在很寬的溫度范圍內非常精確和穩定.這最常用的晶體是石英晶體.生產石英晶體需要非常穩定的溫度和壓力條件在幾周內.這使得晶體振蕩器比RC振蕩器更昂貴.

陶瓷諧振器

陶瓷諧振器的工作方式與晶體振蕩器相同.它們更容易制造,因此比石英便宜晶體,但是振蕩頻率的精度較差.正如將在隨后的章節中看到的,的質量因素陶瓷諧振器低于晶體振蕩器,這通常導致更快的啟動時間.這可能比一些應用的頻率精度.

該篇文章將重點介紹石英晶振;然而,所提出的理論也適用于陶瓷諧振器.

2.1.1壓電性

石英晶體和陶瓷諧振器具有直接壓電特性.這意味著施加的電場會導致晶體變形.相反,晶體的變形將導致端子兩端的電壓.一旦振蕩器啟動,轉換器振動晶體的端子上的ing電壓被用作時鐘信號.

2.2振蕩器的基本原理

圖2.1.簡化反饋振蕩器環路

振蕩器背后的原理是滿足巴克豪森條件的正反饋回路:如果閉環增益大于單位和總相位滯后為360°,由此產生的閉環系統是不穩定的,并且會自我強化.這是必要的,但不是振蕩存在的充分條件.當滿足必要的條件時,振蕩器中的任何干擾(噪聲)將導致振蕩開始.滿足巴克豪森條件的頻率被放大得最多,因為它與原始信號.

初始振蕩非常微弱,將信號放大到所需的幅度需要時間.當振蕩建立時,只需要少量的能量來補償電路中的損耗.從數學上講,閉環增益為1需要保持穩態振蕩.MCU系列0或無線MCU系列0依靠內部調節器來調節閉環當時鐘信號達到期望的幅度時,增益為1.

圖2.1第4頁的簡化反饋振蕩器回路顯示振蕩器電路由兩部分組成；放大級以及決定哪個頻率經歷360°相位滯后的濾波器.在晶體振蕩器的情況下,濾波器由晶體組成和外部負載電容器.

2.2.1啟動時間

閉環增益的大小對啟動時間有很大影響.高增益時,信號的次數必須是減少了在環路周圍傳播以達到期望的振幅.為了快速啟動,優選高增益.出于同樣的原因,振蕩頻率會影響啟動時間.kHz范圍內的貼片晶振會有相當長的時間啟動時間比MHz范圍內的晶體更長,因為循環回路所需的時間更長.MCU的典型啟動時間系列0或無線MCU系列0對于低頻為200-400毫秒,在高頻域為200-400秒.

2.3晶體建模

晶體可以用圖2.2第5頁晶體的等效電路來描述.

圖2.2.晶體的等效電路

CS是運動電容.它代表從晶體位移中獲得的壓電電荷.

RS是運動阻力.它代表晶體中的機械損耗.

LS是運動電感.它代表晶體中的移動質量.

C0是電極之間的分流電容和外殼的雜散電容.

對于低頻,等效電路將表現出電容行為,如圖2.3電抗對頻率所示在第5頁.隨著頻率的增加,電感器的存在變得更加明顯,電抗也隨之增加.忽略并聯電容C0,定義串聯諧振頻率,其中電感器和電容器的電抗抵消.在這個頻率,因此,晶體看起來只是電阻性的,沒有相移.因此,串聯諧振頻率fS決定了CS的值和LS,并且可以用下面的等式計算.串聯諧振頻率是自然諧振頻率,其中機械能和電能之間的能量轉換是最有效的.

圖2.3.電抗對頻率

在更高的頻率下,等效電路將呈現電感性,這意味著更高的阻抗.當感抗從晶體抵消了并聯電容C0的容抗,存在另一個零相移的諧振頻率.這頻率被稱為反諧振頻率fA.在這個頻率下,阻抗處于最大值.晶體中的電感并且分流電容將相互饋送并且獲得最低可能的電流消耗.

fS和fA之間的頻率范圍被稱為平行共振區域,是晶體正常振蕩的地方.在反饋回路中的諧振頻率,相位滯后由具有180°相位滯后的放大器和具有組合的180°相位滯后.實際上,放大器提供了略大于180°的相移,這意味著晶體必須出現稍微歸納以滿足巴克豪森標準.

2.3.1串聯和并聯諧振晶體

在物理上,串聯和并聯諧振晶體之間沒有區別.串聯諧振晶體被指定在晶體出現時沒有電抗的串聯諧振頻率.因此,不應該存在外部電容,因為這將使振蕩頻率降低到低于自然共振頻率.這些晶體用于具有以下功能的電路中振蕩器電路不提供360°相移的外部電容器.

并聯諧振晶體需要電容負載以特定頻率振蕩,這是所需的諧振模式MCU系列0或無線MCU系列0設備.MCU系列0或無線MCU系列0設備需要外部負載容量-職權范圍.平行諧振晶體的精確振蕩頻率可以用下面的等式計算,其中CL是負載ca-晶體看到的電容.因此CL是一個重要的設計參數,并在平行諧振晶體數據表中給出.

3.MCU系列0或無線MCU系列0晶體振蕩器

MCU系列0或無線MCU系列0設備包括各種振蕩器,包括全內部低速和高速RC振蕩器(不包括在本申請說明中).這些使得在沒有任何外部振蕩器的情況下,能夠在所有能量模式下完全工作組件.如果應用程序需要更精確的時鐘,MCU系列0或無線MCU系列0設備包括兩個晶體振蕩器,低頻晶體振蕩器(LFXO)和高頻晶體振蕩器(HFXO).這些振蕩器需要外部時鐘或晶體和負載電容器連接到設備的壓控晶體振蕩器引腳.LFXO支持帶有標稱頻率為32.768kHz,而HFXO支持4至50MHz的頻率,具體取決于設備-請參見數據表了解更多信息.還支持提供正弦波和方波的外部振蕩器.參見AN0002:硬件設計說明寄存器設置和引腳連接的考慮事項.高頻和低頻時鐘源都可以同時使用.

在MCU系列0或無線MCU系列0中,振蕩器電路被設計為Pierce振蕩器,如圖3.1所示Pierce第7頁MCU系列0或無線MCU系列0中的振蕩器.

圖3.1.MCU系列0或無線MCU系列0中的Pierce振蕩器

眾所周知,Pierce振蕩器對于寬頻率范圍和低功耗是穩定的.

MCU系列0或無線MCU系列0晶體振蕩器使用相對較低的振幅,這可能導致較低的振幅振蕩頻率比晶體數據表中的標稱值要高.關于這種影響的更多信息在4.4頻率中給出賽拉.

3.1超時和毛刺檢測

確保XO時鐘信號在穩定之前不會在MCU系列0或無線MCU系列0中內部使用HFXO和LFXO包括一個可配置的超時時間(詳見AN0002:硬件設計注意事項).當XO啟動時,超時計數器將計數到時鐘信號傳播到內部時鐘樹之前配置的周期數和數字邏輯.

對于MCU系列0或無線MCU系列0的HFXO,還可以啟用毛刺檢測器(HFXOGLITCHDETEN在CMU_CTRL).使用此設置,超時期間檢測到的任何故障將導致超時計數器再次啟動.這時鐘將不會傳播,直到它運行了一個沒有故障的完整超時周期.在超時周期成功過去后毛刺檢測器自動關閉以節省電力.

3.2配置器中的振蕩器配置

SimplicityStudio中的[硬件配置器]包含一個工具,可幫助用戶配置負載電容和軟件設置用于使用LFXO和HFXO.一旦找到正確的硬件配置,設計者就可以輸出應該在應用程序中運行.[硬件配置器]的軟件設置用于確保可靠性是很重要的振蕩器的操作.

3.3外部時鐘和緩沖正弦輸入

HFXO和LFXO振蕩器可用作外部生成的數字時鐘信號的輸入.當在此使用振蕩器時將時鐘輸入連接到HFXTAL_N或LFXTAL_N.這些輸入的最大頻率受的最大時鐘頻率限制設備(有關詳細信息,請參閱設備數據表).外部緩沖的正弦信號也可以施加到HFXTAL_N,或LFXTAL_N引腳.該信號的推薦幅度在0.8和1.2Vpk-pk之間,頻率必須與re-相同使用HFXO和LFXO晶體時需要(參見AN0002:寄存器設置的硬件設計注意事項).

4.晶體參數

4.1質量因素

品質因數Q是對能量在晶體中的效率或相對存儲與能量耗散的度量.對于厄勒克特拉卡爾等效電路,下面的等式陳述了R,C和Q之間的關系.實際上,Q值越高的晶體越多準確,但是它們振蕩的帶寬較小.因此,高Q因子晶體通常比晶體啟動得慢具有更高的頻率容限.通常,晶體比陶瓷諧振器具有更高的Q因子.因此,可以預期晶體具有比陶瓷諧振器更長的啟動時間.

XLS和XCS分別是LS和CS在晶體工作頻率下的電抗.

4.2負載電容

如下式所示,兩個電容器CL1和CL2為晶體提供電容負載.有效負載電容,從MCU系列0或無線MCU系列0上的XTAL_N和XTAL_P引腳可以看出,CL是CL1和CL2接地.

其中Cstray是微控制器的引腳電容和任何寄生電容,通常可以假設在2-5pF的范圍內.正確選擇CL對于正確的工作頻率非常重要.具有小負載電容的石英晶體諧振器通常比需要大CL的晶體.大負載電容器也增加了功耗.建議使用帶有CL的晶體作為在6中詳細說明.推薦晶體.MCU系列0或無線MCU系列0設備數據表也包含更多信息在允許的負載電容范圍內.

注:MCU系列0或無線MCU系列0設備需要在XTAL_N和之間連接外部負載電容XTAL_P引腳和接地.

4.3等效串聯電阻

等效串聯電阻是振蕩期間晶體中的電阻,隨諧振頻率而變化.ESR,給定通過下面的等式,通常會隨著振蕩頻率的增加而減小.

MCU系列0或無線MCU系列0的HFXO/LFXO電路不能保證ESR大于a的晶體啟動一定限度.有關詳細信息,請參閱設備數據表.ESR越小,與這個最大值相比,越好獲得晶體啟動的余量,這又減少了啟動時間.此外,較小的ESR值會降低功耗振蕩期間的消耗.

請注意,與LF晶體相比,HF晶體的ESR為幾十歐姆,LF晶體的ESR值通常在中測量科恩.因此,與kHz相比,幾歐姆的串聯電阻對MHz范圍內的啟動裕度有更大的影響距離.

4.4頻率牽引

由于MCU系列0或無線MCU系列0中的晶體振蕩器使用相對較低的振蕩幅度,因此振蕩頻率當使用建議的負載電容時,頻率可以低于數據表中的規定.這種偏移最好通過測量找到使用建議的負載電容時產生的頻率.偏移將是穩定的,不受溫度,電壓或者老化.如果希望達到溫度補償晶振的標稱頻率,有兩種選擇:

選項A-向晶體供應商訂購標稱頻率等于您想要達到的頻率的晶體測量的偏移頻率.

選項B——通過調整負載電容(CL1和CL2),可以稍微改變晶體的振蕩頻率.

這振蕩系統的可拉性是指通過改變晶體的諧振頻率,可以調諧晶體的諧振頻率的程度這些值.晶體看到這些電容器串聯接地,與閉環并聯.因此,它們會稍微改變晶體的反共振頻率.下面的等式顯示了以ppm單位表示的頻率變化的可拉性pF中組合負載電容的變化.

4.5驅動器級別

驅動電平是壓電石英晶體中耗散功率的量度.晶體制造商應指定最大功耗晶體數據表中晶體所容許的值.超過這個值會損壞晶體.

我是流經晶體的均方根電流.如果需要,可以添加外部電阻來限制驅動電平；然而這是除非DL太高,否則不推薦,因為它會降低增益裕度并增加振蕩器的功耗.

4.6最小負電阻

振蕩形成的關鍵條件要求提供的能量超過電路中耗散的能量.換句話說,放大器的負電阻必須超過晶體中的等效串聯電阻.負的近似公式活性電阻在下面的等式中給出.

其中gm是振蕩器電路的跨導.為了確保在所有電壓和溫度變化下的安全運行允許的最低Rneg由下面的等式給出.

如果負電阻不足以滿足該標準,則需要另一種ESR和/或負載能力要求較低的晶體應該被選擇.[硬件配置器中的XO配置器]能夠為您的基于負載和分流電容,內部損耗和頻率的設計.上面的等式顯示了這一計算不包括并聯電容和內部損耗.

4.7頻率穩定性

頻率穩定性是在給定工作溫度下,與指定振蕩頻率的最大頻率偏差距離.

4.8頻率公差

頻率容差是25°C時與指定振蕩頻率的最大頻率偏差各個晶體之間變化的指示.

4.9PCB布局

為了最小化寄生天線和寄生耦合現象引起的噪聲敏感度,晶體,電容tor(需要時)和MCU系列0或無線MCU系列0振蕩器引腳應盡可能短.如果不可能的話為了將外部有源晶振振蕩器組件放置在振蕩器引腳附近,在路由這些信號時應小心.避免長時間MCU系列0或無線MCU系列0封裝和其他電路下面的跡線可能會與產生虛假耦合邏輯活動.也避免通過晶體區域路由任何其他信號.

兩個電容器的接地側(如果需要外部電容器)必須接地.這些聯系應該是對于每個電容器,盡可能短且長度相等.確保振蕩器下面的接地層良好質量.不要在振蕩器下面使用單獨的接地平面,該接地平面與參考接地的連接很窄,因為這可能會起到天線.為了避免與周圍信號跡線耦合,最好在振蕩器周圍放置接地保護環以及它的組成部分.

4.10軟件配置

MCU系列0或無線MCU系列0允許HFXO和LFXO跨導(gm)的運行時配置在振蕩建立期間.使用以下位字段:

高頻振蕩器

CMU_CTRL中的HFXOBOOST[1:0]

LFXO

CMU_CTRL中的線性反饋增強功能

EMU_AUXCTRL中的REDLFXOBOOST(僅適用于EFM32GG設備)

這些位的推薦設置取決于振蕩器設計的負載和分路電容.LFXO/HFXO配置-[硬件配置器中的urator]創建C代碼,根據晶體的頻率,最大ESR,分路和負載電容.重要的是,這些建議應作為incor-來遵循矩形設置會導致石英晶體振蕩器的不可靠操作.

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