测·控领域专业互动媒体平台
推动测试测量,检测诊断,传感物联,遥测自控智能化发展
当前位置:CK365测控网 > 技术中心 > 电路图 >

EMI时钟源中有源晶振与无源晶振的原理结构及用法

物联产品&电磁兼容EMC 2018-11-01 11:34:01

[导读] 无源晶体需要用MCU片内的振荡器,一般在其应用的DS上有建议的连接参数及使用方法。无源晶体没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的。

有源晶振无源晶振的比较

无源晶振:就是一个晶体,本身不能振荡,依靠配合其他IC内部振荡电路工作。

有源晶振:晶体+振荡电路,封装在一起。给他供上电源,就有波形输出。

A.无源晶体:

无源晶体需要用MCU片内的振荡器,一般在其应用的DS上有建议的连接参数及使用方法。无源晶体没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的,同样的晶体可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的MCU,而且价格通常也较低,因此对于一般的应用如果条件许可建议用;适合于产品线丰富批量大的应用。无源晶体相对于有源晶振而言其缺陷是信号质量较差,通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电阻等),更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体,尽可能不要采用精度低的陶瓷晶振(除非对时钟的精度要求不高的场合)。

注意:晶振负载电容取值直接关系到调频的准确度。如果负载电容不够准确,那么使用的晶体准确度就会差,关于负载电容的计算方法即从晶体两端看进去电容的总和;如上图:计算公式,晶振的负载电容等于:

[(Cd*Cg)/ (Cd+Cg)] + Cic + △C,

式中Cd、Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,

Cic(集成电路内部电容)+△C(PCB上电容)一般为3至5pF。

B.有源晶振

有源晶振不需要MCU的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单(主要是做好电源滤波,通常使用一个电容和电感(或磁珠)构成的PI型滤波网络,输出端用一个小阻值的电阻接成RC即可),不需要复杂的配置电路。

有源晶振通常的用法:一脚悬空,二脚接地,三脚接输出,四脚接电压。相对于无源晶体,有源晶振的缺点是其信号电平是固定的,需要选择好合适输出电平,灵活性较差,而且价格高!对于时序要求敏感的应用,我认为还是有源的晶振好,因为可以选用比较精密的晶振,甚至是高档的温度补偿晶振。有些主控IC及系统内部没有起振电路,只能使用有源的晶振;有源晶振相比于无源晶体通常体积较大,但现在许多有源晶振是表贴的,体积和晶体相当,有的甚至比许多晶体还要小。

有源晶体EMI几点注意事项:

1.需要倍频的主控IC应用系统需要配置好PLL周边配置电路,设计好隔离和滤波如果能有效使用SSC技术对EMI有很好的效果;

2.20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件,稳定度好,20MHz以上的大多是谐波的(如3次谐波、5次谐波等等),稳定度差,因此强烈建议使用低频的器件,毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感,其稳定度和价格方面远远高于晶体晶振器件;

3.时钟信号走线长度尽可能短,线宽尽可能大,与其它印制线间距尽可能大,紧靠器件布局布线,必要时可以走内层,以及用地线包围(屏蔽的思路);

总体来说有源晶振的稳定度等方面好于无源晶体,尤其是精密测量等领域,绝大多数用的都是高档的晶振,这样就可以把各种补偿技术集成在一起,减少了设计的复杂性。比如我在TV产品(信息类设备及产品)这里有设计无线射频电路等对时钟要求高的场合。

C.有源晶振无源晶振的区别

无源晶振为crystal(晶体)无源晶振是有2个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来;

有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。有源晶振有4只引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件,因此体积较大。

有个点标记的为1脚,按逆时针(管脚向下)分别为2、3、4。

有源晶振通常的用法:一脚悬空,二脚接地,三脚接输出,四脚接电压。

方形有源晶振引脚分布:

1、正方的,使用DIP-8封装,打点的是1脚。

1-NC; 4-GND; 5-Output; 8-VCC

2、长方的,使用DIP-14封装,打点的是1脚。

1-NC; 7-GND; 8-Output; 14-VCC

BTW:

1、电源有两种,一种是TTL,只能用5V,一种是HC的,可以3.3V/5V

2、边沿有一个是尖角,三个圆角,尖角的是一脚,和打点一致。

Vcc out

NC(点) GND

D.有源晶振内部结构

可以看到有源晶振 = 普通晶振 + 逻辑电路

E.晶振的输出波形及激励幅度

无源晶振输出正弦波;有源晶振输出正弦波或方波。

如果有源晶振把整形电路做在有源晶振里面了的话,输出就是方波,但很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波,这是由于示波器的带宽不够,注意:有源晶振20MHz,如果用40MHz或60MHz的示波器测量,显示的是正弦波,这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加,带宽不够的话,就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波,所以显示正弦波。完美的再现方波需要至少10倍的带宽,5倍的带宽只能算是勉强,所以需要至少100M的示波器。

晶体谐振器的振荡裕量(晶体能量)对产品可靠性设计及EMI都有非常重要的影响!!

振荡裕量是指振荡停止的裕量,这是振荡电路中最重要的术语。

该裕量是以晶体谐振器电阻为基础的比值,表明振荡电路放大能力的大小。理论上来说,在裕量大于或等于1时,振荡电路可以运行。但是,在振荡裕量接近1时,由于振荡启动时间过长等原因,模块运行可能会失败。可以通过增加振荡裕量来解决此类问题。

可以使用如下方法计算振荡裕量:

振荡裕量 [倍] = |-R|/R1spec |-R|: 负阻

R1spec: 规范中规定的晶体谐振器等效串联电阻最大值。

请参考晶体谐振器目录或数据表中的R1 spec值。

可以测量实际振荡电路的负阻。

最好使振荡裕量大于或等于5倍。

测量方法

1.测量要求

PCB板器件如下图

晶体谐振器 (具有等效电路常数数据)

电阻 (SMD)

测量仪器 (示波器、频率计数器或是其它可以观察振荡的仪器)

2.将电阻串联到晶体谐振器上,并检查振荡电路是否工作。

3.如果2) 证实有振荡,就增大电阻。如果没有振荡,就减小电阻。

4.找出最大电阻 (=Rs_max),即振荡停止前的电阻。

5.用Rs_max测量振荡频率。

6.通过以下公式计算有效电阻RL

7.通过以下公式计算负阻|-R|:

简单方法来确定振荡裕量的设计

1.我们用简单方法来查看一下振荡裕量是否超过5倍。

准备一个晶体谐振器等效串联电阻额定电阻5倍的电阻器。

将准备好的电阻器串联到晶体谐振器上;检查振荡电路是否正常工作。

2.判断

振荡电路是否正常工作,也就是振荡停止裕量大于等于5倍。

如果振荡电路不工作,振荡停止裕量可能小于5倍。在振荡停止裕量小于5倍时,最好减小阻尼电阻或是外部负载电阻。在实际使用中,从理论上来说,如果振荡裕量大于或等于1倍,应通过振荡电路是否工作来考虑振荡裕量的变化。如下图方法:

等效电路电阻逐渐增加到5倍,比如图中所示510欧姆!

如果振荡裕量较低,很可能会出现振荡故障。因此,最好检查一下振荡裕量,并考虑电路条件,以保持足够的振荡裕量。

注意细节:

1.影响振荡裕量的不仅是晶体谐振器特性,还有组成振荡电路的元件 (MCU、电容器和电阻器);因此在使用MCU组成功能模块时,最好检查一下振荡设计裕量。

2.最好对串联的电阻参数进行评估。

3.最好检查模块的功能;振荡电路的频移很可能会造成模块无法正确工作。

4.在测量中应当使用正确的夹具和插座,否则它们的杂散会对振荡裕量产生影响。

F.晶振电路的典型EMI参考设计

我们以典型的有源晶振的设计电路为例推荐其设计应用电路:

R(R1)为预留匹配设计;可根据实验测试情况进行调整或更换磁珠进行处理!

C(C1)需要根据实际情况进行增加或参数调整!

如上图,为有源晶振EMC标准设计电路,如果对EMC要求不高,可以去掉L1,及C1。只保留电源输入端的去耦电容,取0.1uF即可,输出端保留输出电阻,约10R到27R。

参考说明:

1.电源端磁珠L1与电容C2,C3构成LC滤波电路。

2.关于输出端串联的电阻的作用:串电阻是为了减小反射波,避免反射波叠加引起过冲。有时,不同应用要求的板子特性不一样,留个电阻位置便于调整板子状态到最佳。如无必要串电阻,就用0欧电阻连接!

具体作用如下:

1.可以减少谐波,有源晶体输出的是方波,这将引起谐波干扰,尤其是阻抗严重不匹配的情况下,加上电阻后,该电阻将与输入电容构成RC积分平滑电路,将方波转换为近似正弦波,虽然信号的完整性受到一定影响,但由于该信号还要经过后级放大、整形后才作为时钟信号,因此,性能并不受影响,该电阻的大小需要根据输入端的阻抗、输入等效电容,有源晶体的输出阻抗等因素选择。

2.可以进行阻抗匹配,减小回波干扰及导致的信号过冲。我们知道,只要阻抗不匹配,都会产生信号反射,即回波,有源晶体的输出阻抗通常都很低,一般在几百欧以下,而信号源的输入端在芯片内部结构上通常是运放的输入端,由芯片的内部电路与外部的无源石英晶体构成谐振电路(使用有源晶体后就不需要这个晶体了),这个运放的输出阻抗都在兆欧以上。

一般这个输出电阻可以串27欧姆左右!供大家应用参考!!

更多技术设计应用及技术交流;请关注公众号

《电子产品&设备:EMI的分析与设计技巧》

更多应用细节& EMC知识参考文献设计:

任何的EMC问题及疑难杂症;先分析再设计才是高性价比的设计!

实际应用中电子产品的EMC涉及面比较广;我的系统理论及课程再对电子设计师遇到的实际问题进行实战分析!先分析再设计;实现性价比最优化原则!

[整理编辑:CK365测控网]
标签:  EMI时钟源[0]    有源晶振[23]    无源晶振[6]
 
[ 技术中心搜索 ]  [ ]  [ 好友分享 ]  [ 打印本文 ]  [ 关闭窗口 ]  [ 返回顶部 ]

相关技术中心

版权与免责声明:

①凡本网注明"来源:CK365测控网"的所有作品,版权均属于CK365测控网,转载请必须注明CK365测控网 www.ck365.cn。违反者本网将追究相关法律责任。
②本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。
③如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

注册成为CK365测控网会员

可以无需任何费用浏览专业技术文章

 
 
注册CK365测控网会员以便浏览全文