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用无源晶振替代有源晶振降低成本的可行性

1. 晶体和晶振

  通常,我们会将“晶体”(Crystal)和“晶振”(Oscillator)都叫成“晶振”,其实这种叫法并不恰当。

  无源晶体是有两个引脚的无极性元件,如图1(a)。正常工作时,需要借助外部电路产生振荡信号,自身并不需要单独外加电源。

  图1  晶体和晶振

  而有源晶振一般有四个引脚,如图1(b),其内部集成石英晶体、晶体管、电阻电容等元件。晶振是一个完整的振荡器,只需要外加适当电源就能正常工作,无需其他外加电路。

  2. 成本分析

  在设计时,工程师要尽可能的降低设计成本,从表1中看出这种晶体转晶振的电路可以使晶振的成本降低60%。

  表1  价格对比

  3. 晶体变晶振

  采用晶体外加无缓冲反相器等元件组成晶振电路,原理及元件如图2。

  图2  无缓冲反相器和晶体组成的晶振电路

  电路中电阻和电容的选择取决于反向器增益、频率稳定性、功耗、晶体特性和启动时间等,推荐参数如表2。

  表2  参数选择

  U1:增加U1B主要是为了增大输出能力。无缓冲反相器的型号可以选择NXP、ON、TI等厂家的双反相器芯片。

  RF:反向器的反馈电阻,它将反向器偏置在线性区域内。选择的RF值需要足够大,以便反向器的输入阻抗可以与晶体匹配。通常情况下,选择的值在1MΩ与10MΩ之间。

  RS:将反向器的输出与晶体隔离开来,防止寄生高频振荡,以便获得良好的波形。通过选择大约等于容抗的值(RS≈XC2)可以获得可以接受的结果。

  C1、C2:选择C1和C2的值时,要使C1和C2的并联值等于晶体数据表中指定的建议负载电容 (CL)。另外,电容的选择还关系到晶振的启动时间、相移、谐振频率等。

  4. 参数测试

  测试电路时,我们选用了三种不同频率的晶体(见表3)和三个厂家的无缓冲反相器进行组合测试,测试结果见表4.

  表3  晶体参数

  表4  多种电路的测试统计

  频率:由晶振的调整频差(25℃±2℃)可以知道,晶体频率在其容忍频率范围内变动是允许的。表4中的测试频率均在允许范围内,并且变动范围较小。

  占空比: 数字系统对占空比要求并不严格,如果用在精确占空比的场合,用户需要对该参数进行筛选和测试。

  启动时间:使用示波器的电平触发功能,测量从系统上电到输出稳定波形的时间。

  高低温测试:根据晶体的工作温度,分别测试和记录了电路在85℃、70℃、50℃、25℃、0℃、-20℃、-40℃下的输出频率、占空比等参数,晶振均能顺利启振并参数正常。由于数据较多,篇幅有限,这里就不再列举。

  5. 结论

  利用无源晶体的有源晶振不仅技术上可行,而且可以降低成本。

  6. 应用场合

  TI在2011年针对工业控制领域推出了低成本,高性能的Cortex-A8内核AM335x系列处理器,致远电子采用AM335x处理器,推出了采用邮票孔封装的M3352_YP核心板以满足客户高稳定性的需求。

  图3  M3352 邮票孔核心板

   当客户M3352_YP做外围电路时,如需要使用百兆以太网功能,需要外加PHY电路,PHY芯片通常可以选择DSZ8041或者DP83848,在使 用RMII接口时,无论选择何种型号的PHY芯片,都需要为PHY芯片提供一路50MHz的CLK信号。为了降低成本可以采用50.000M晶 体+NL27WZU04的方式为PHY提供50.000M的时钟源。

  图4 无源晶体做有源晶振典型应用电路

  • 选型参考
  • 汽车电子用EPSON晶振晶体规格一览表

    32.768kHz晶体谐振器 / kHz 范围 型号 外部尺寸 [mm] 额定频率范围 [kHz] 频率公差 (标准) [x10-6] @+25C 工作温度 [C] 目录 FC-13A 3.2x1.5x0.9 32.768kHz 20 /30 /50 -40~+125 253KB MC-30A 8.0x3.8x2.54 32.768kHz 20 /50 -40~+85 276KB 20kHz~120kHz 50

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