计时模块使用石英晶体技术指导
　　众所周知石英晶体是一种用于计时系统的频率元器件,尤其是32.768K系列,几乎所有基准时钟模块都要用到它们,世界上第一颗晶体在100多年前诞生于美国,发展到今天,已经是非常传统的产业了.而且与我们的日常和工作紧密相连,虽然我们很少见到32.768K晶振,但它时时伴随我们左右,手机里,电脑里,座机里都有它们的身影.但很少人知道,石英晶体最早是应用到手表和钟表上面的,后来广泛使用到各种各样不同的产品身上.
　　自推出以来,32.768kHz微型手表晶体已成为有史以来最流行的计时参考.本应用笔记旨在为在计时应用中使用石英晶振提供一些指导.在几乎所有情况下,为了方便和节省成本,设计人员都希望为此应用使用简单的逻辑门振荡器.通常适用于此类设计的标准是:它应该准确,低成本和低功耗.使用监视晶体和CMOS逻辑,可以满足所有这些条件.

　　在CMOS振荡器电路中,功耗随频率而增加,因此将工作频率降低到最小是有意义的.这就是选择32.768kHz的原因.减少CMOS电路功耗的第二种方法是减小任何驱动负载的尺寸.出于这个原因,部分原因是手表石英晶体的设计工作负载通常为12.5pF,而不是通常的20或30pF.它还与以下问题有关:(a)除非使用了低晶体负载电容,否则在手表所用的低电压下,所用的CMOS类型会耗尽蒸汽;(b)在保持适当的逆变器输入电压的同时保持晶振驱动电平低;
　　(c)允许使用非常小的微调电容器,同时仍提供必要的微调范围.
　　CMOS反相器振荡器的基本要求可以通过一个门和少数几个提供偏置和反馈的组件来满足.图1显示了这种类型的典型电路.石英晶振看到的负载电容是Cout和Cin与任何电路杂散的串联组合,包括逻辑门输入和输出引脚电容.图1中使用的分量值工作良好,并且与从Saunders140晶体阻抗计获得的测量测试结果具有良好的相关性.SMD晶振的视在负载电容为:

　　Cout=栅极输出电容器Cin=栅极输入电容器

　　这样得出的负载为6.9pF.这远低于要求的12.5pF数值,但是逻辑门的输入和输出引脚都存在明显的负载.这些附加值需要加到6.9pF.每个引脚的这些负载通常约为3pF至4pF,但最高可达10pF,并且还取决于所使用的逻辑系列.这些额外的石英晶振负载以及电路中的任何杂散电容应加起来约为12.5pF.
　　如果需要可调整的振荡器,则可以用一个固定的10pF电容器与一个2pF至22pF的调整器并联来代替22pF的输出电容器.为了获得最佳结果,应使用NPO,COG或类似的低温系数介电电容器以获得最佳稳定性.
　　诸如此类的振荡器的经常表达的要求是紧密的公差,通常确实在其中将不提供微调器的布局中.除了电容容差的影响外,还必须意识到,由于其值很低,归因于IC的稍微可变的阻抗将导致一定程度的不确定相移,从而导致振荡频率.强烈建议使用微调器,因此,无论实际的晶振容差如何,如果需要的精度都优于±50ppm.

　　另一个重要的影响是由于温度变化.低于1MHz的手表晶体和其他类似类型的晶体具有抛物线频率-温度特性,设计周转温度为25°C(见图3).周转温度和抛物线曲率常数的容差通常分别为±3°C和0.038ppm/°C2,这意味着仅在有限的温度范围内才能保持接近的容差.当然,这在手表中几乎没有什么意义,因为在使用中它会保持接近晶体的周转温度,但是如果工作温度范围在一定范围内,则与AT切割单元相比,这种类型的晶体的成本效益较低.要求宽于0至50°C.
　　图2所示为4.194304MHz(32.768kHzx27)AT切割贴片晶体的类似电路.C3和C4旨在促进对在12pF的标准时钟晶体负载下校准的晶体进行精确的频率修整.如果不需要修整,则用18pF或22pF固定单元替换这些电容器(选择导致振荡最接近标称频率的值),或者完全省略它们,并指定要在30pF负载下校准的晶体.
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