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    用無源晶振替代有源晶振降低成本的可行性

    1. 晶體和晶振

      通常,我們會將“晶體”(Crystal)和“晶振”(Oscillator)都叫成“晶振”,其實這種叫法并不恰當。

      無源晶體是有兩個引腳的無極性元件,如圖1(a)。正常工作時,需要借助外部電路產生振蕩信號,自身并不需要單獨外加電源。

      圖1  晶體和晶振

      而有源晶振一般有四個引腳,如圖1(b),其內部集成石英晶體、晶體管、電阻電容等元件。晶振是一個完整的振蕩器,只需要外加適當電源就能正常工作,無需其他外加電路。

      2. 成本分析

      在設計時,工程師要盡可能的降低設計成本,從表1中看出這種晶體轉晶振的電路可以使晶振的成本降低60%。

      表1  價格對比

      3. 晶體變晶振

      采用晶體外加無緩沖反相器等元件組成晶振電路,原理及元件如圖2。

      圖2  無緩沖反相器和晶體組成的晶振電路

      電路中電阻和電容的選擇取決于反向器增益、頻率穩定性、功耗、晶體特性和啟動時間等,推薦參數如表2。

      表2  參數選擇

      U1:增加U1B主要是為了增大輸出能力。無緩沖反相器的型號可以選擇NXP、ON、TI等廠家的雙反相器芯片。

      RF:反向器的反饋電阻,它將反向器偏置在線性區域內。選擇的RF值需要足夠大,以便反向器的輸入阻抗可以與晶體匹配。通常情況下,選擇的值在1MΩ與10MΩ之間。

      RS:將反向器的輸出與晶體隔離開來,防止寄生高頻振蕩,以便獲得良好的波形。通過選擇大約等于容抗的值(RS≈XC2)可以獲得可以接受的結果。

      C1、C2:選擇C1和C2的值時,要使C1和C2的并聯值等于晶體數據表中指定的建議負載電容 (CL)。另外,電容的選擇還關系到晶振的啟動時間、相移、諧振頻率等。

      4. 參數測試

      測試電路時,我們選用了三種不同頻率的晶體(見表3)和三個廠家的無緩沖反相器進行組合測試,測試結果見表4.

      表3  晶體參數

      表4  多種電路的測試統計

      頻率:晶振的調整頻差(25℃±2℃)可以知道,晶體頻率在其容忍頻率范圍內變動是允許的。表4中的測試頻率均在允許范圍內,并且變動范圍較小。

      占空比: 數字系統對占空比要求并不嚴格,如果用在精確占空比的場合,用戶需要對該參數進行篩選和測試。

      啟動時間:使用示波器的電平觸發功能,測量從系統上電到輸出穩定波形的時間。

      高低溫測試:根據晶體的工作溫度,分別測試和記錄了電路在85℃、70℃、50℃、25℃、0℃、-20℃、-40℃下的輸出頻率、占空比等參數,晶振均能順利啟振并參數正常。由于數據較多,篇幅有限,這里就不再列舉。

      5. 結論

      利用無源晶體的有源晶振不僅技術上可行,而且可以降低成本。

      6. 應用場合

      TI在2011年針對工業控制領域推出了低成本,高性能的Cortex-A8內核AM335x系列處理器,致遠電子采用AM335x處理器,推出了采用郵票孔封裝的M3352_YP核心板以滿足客戶高穩定性的需求。

      圖3  M3352 郵票孔核心板

       當客戶M3352_YP做外圍電路時,如需要使用百兆以太網功能,需要外加PHY電路,PHY芯片通?梢赃x擇DSZ8041或者DP83848,在使 用RMII接口時,無論選擇何種型號的PHY芯片,都需要為PHY芯片提供一路50MHz的CLK信號。為了降低成本可以采用50.000M晶 體+NL27WZU04的方式為PHY提供50.000M的時鐘源。

      圖4 無源晶體做有源晶振典型應用電路

    • 選型參考
    • 汽車電子用EPSON晶振晶體規格一覽表

      32.768kHz晶體諧振器 / kHz 范圍 型號 外部尺寸 [mm] 額定頻率范圍 [kHz] 頻率公差 (標準) [x10-6] @+25C 工作溫度 [C] 目錄 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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