MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)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(wú)線MCU系列0設(shè)備包含兩個(gè)晶體振蕩器:一個(gè)低速(32.768K)和一個(gè)高速(4-50MHz,取決于設(shè)備,有關(guān)詳細(xì)信息,請(qǐng)參見數(shù)據(jù)表).涵蓋的主題包括振蕩器理論和一些這些設(shè)備推薦的晶體.

要點(diǎn)

晶體振蕩器更加精確,并且穩(wěn)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(shù)很重要當(dāng)選擇振蕩器時(shí).了解如何降低功耗當(dāng)使用外部振蕩器時(shí).

本應(yīng)用筆記支持多個(gè)設(shè)備系列,并且某些功能因設(shè)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(lè)壁虎(EFM32HG)

無(wú)線MCU系列0包括:

EZR32神奇壁虎(EZR32WG)

EZR32豹紋壁虎(EZR32LG)

快樂(lè)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(chǎn)生重復(fù)或周期性時(shí)變信號(hào)的電子電路.在MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)備,此振蕩器信號(hào)用于時(shí)鐘執(zhí)行指令,數(shù)字邏輯和中的通信設(shè)備.產(chǎn)生這種信號(hào)有多種方式,每種方式都有不同的特性,影響項(xiàng)目成本,電路板尺寸和時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)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(jià)格低廉,啟動(dòng)時(shí)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(wú)線MCU系列0設(shè)備至少提供三個(gè)內(nèi)部RC振蕩器:一個(gè)高頻RC振蕩器(HFRCO),一個(gè)低頻RC振蕩器(LFRCO)和一個(gè)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(diào)試跟蹤.而內(nèi)部RC振蕩器將確保MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)備的正常運(yùn)行,一些應(yīng)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(jī)械振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào).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(nèi)非常精確和穩(wěn)定.這最常用的晶體是石英晶體.生產(chǎn)石英晶體需要非常穩(wěn)定的溫度和壓力條件在幾周內(nèi).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(jié)中看到的,的質(zhì)量因素陶瓷諧振器低于晶體振蕩器,這通常導(dǎo)致更快的啟動(dòng)時(shí)間.這可能比一些應(yīng)用的頻率精度.

該篇文章將重點(diǎn)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(chǎng)會(huì)導(dǎo)致晶體變形.相反,晶體的變形將導(dǎo)致端子兩端的電壓.一旦振蕩器啟動(dòng),轉(zhuǎn)換器振動(dòng)晶體的端子上的ing電壓被用作時(shí)鐘信號(hào).

2.2振蕩器的基本原理

圖2.1.簡(jiǎn)化反饋振蕩器環(huán)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(huán)增益大于單位和總相位滯后為360°,由此產(chǎn)生的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的,并且會(huì)自我強(qiáng)化.這是必要的,但不是振蕩存在的充分條件.當(dāng)滿足必要的條件時(shí),振蕩器中的任何干擾(噪聲)將導(dǎo)致振蕩開始.滿足巴克豪森條件的頻率被放大得最多,因?yàn)樗c原始信號(hào).

初始振蕩非常微弱,將信號(hào)放大到所需的幅度需要時(shí)間.當(dāng)振蕩建立時(shí),只需要少量的能量來(lái)補(bǔ)償電路中的損耗.從數(shù)學(xué)上講,閉環(huán)增益為1需要保持穩(wěn)態(tài)振蕩.MCU系列0或無(wú)線MCU系列0依靠?jī)?nèi)部調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)閉環(huán)當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)達(dá)到期望的幅度時(shí),增益為1.

圖2.1第4頁(yè)的簡(jiǎn)化反饋振蕩器回路顯示振蕩器電路由兩部分組成；放大級(jí)以及決定哪個(gè)頻率經(jīng)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(fù)載電容器.

2.2.1啟動(dòng)時(shí)間

閉環(huán)增益的大小對(duì)啟動(dòng)時(shí)間有很大影響.高增益時(shí),信號(hào)的次數(shù)必須是減少了在環(huán)路周圍傳播以達(dá)到期望的振幅.為了快速啟動(dòng),優(yōu)選高增益.出于同樣的原因,振蕩頻率會(huì)影響啟動(dòng)時(shí)間.kHz范圍內(nèi)的貼片晶振會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間啟動(dòng)時(shí)間比MHz范圍內(nèi)的晶體更長(zhǎng),因?yàn)檠h(huán)回路所需的時(shí)間更長(zhǎng).MCU的典型啟動(dòng)時(shí)間系列0或無(wú)線MCU系列0對(duì)于低頻為200-400毫秒,在高頻域?yàn)?00-400秒.

2.3晶體建模

晶體可以用圖2.2第5頁(yè)晶體的等效電路來(lái)描述.

圖2.2.晶體的等效電路

CS是運(yùn)動(dòng)電容.它代表從晶體位移中獲得的壓電電荷.

RS是運(yùn)動(dòng)阻力.它代表晶體中的機(jī)械損耗.

LS是運(yùn)動(dòng)電感.它代表晶體中的移動(dòng)質(zhì)量.

C0是電極之間的分流電容和外殼的雜散電容.

對(duì)于低頻,等效電路將表現(xiàn)出電容行為,如圖2.3電抗對(duì)頻率所示在第5頁(yè).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(lián)電容C0,定義串聯(lián)諧振頻率,其中電感器和電容器的電抗抵消.在這個(gè)頻率,因此,晶體看起來(lái)只是電阻性的,沒有相移.因此,串聯(lián)諧振頻率fS決定了CS的值和LS,并且可以用下面的等式計(jì)算.串聯(lián)諧振頻率是自然諧振頻率,其中機(jī)械能和電能之間的能量轉(zhuǎn)換是最有效的.

圖2.3.電抗對(duì)頻率

在更高的頻率下,等效電路將呈現(xiàn)電感性,這意味著更高的阻抗.當(dāng)感抗從晶體抵消了并聯(lián)電容C0的容抗,存在另一個(gè)零相移的諧振頻率.這頻率被稱為反諧振頻率fA.在這個(gè)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(qū)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(shí)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(xiàn)稍微歸納以滿足巴克豪森標(biāo)準(zhǔn).

2.3.1串聯(lián)和并聯(lián)諧振晶體

在物理上,串聯(lián)和并聯(lián)諧振晶體之間沒有區(qū)別.串聯(lián)諧振晶體被指定在晶體出現(xiàn)時(shí)沒有電抗的串聯(lián)諧振頻率.因此,不應(yīng)該存在外部電容,因?yàn)檫@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(lián)諧振晶體需要電容負(fù)載以特定頻率振蕩,這是所需的諧振模式MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)備.MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)備需要外部負(fù)載容量-職權(quán)范圍.平行諧振晶體的精確振蕩頻率可以用下面的等式計(jì)算,其中CL是負(fù)載ca-晶體看到的電容.因此CL是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù),并在平行諧振晶體數(shù)據(jù)表中給出.

3.MCU系列0或無(wú)線MCU系列0晶體振蕩器

MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)備包括各種振蕩器,包括全內(nèi)部低速和高速RC振蕩器(不包括在本申請(qǐng)說(shuō)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(yīng)用程序需要更精確的時(shí)鐘,MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)備包括兩個(gè)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(shí)鐘或晶體和負(fù)載電容器連接到設(shè)備的壓控晶體振蕩器引腳.LFXO支持帶有標(biāo)稱頻率為32.768kHz,而HFXO支持4至50MHz的頻率,具體取決于設(shè)備-請(qǐng)參見數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)說(shuō)明寄存器設(shè)置和引腳連接的考慮事項(xiàng).高頻和低頻時(shí)鐘源都可以同時(shí)使用.

在MCU系列0或無(wú)線MCU系列0中,振蕩器電路被設(shè)計(jì)為Pierce振蕩器,如圖3.1所示Pierce第7頁(yè)MCU系列0或無(wú)線MCU系列0中的振蕩器.

圖3.1.MCU系列0或無(wú)線MCU系列0中的Pierce振蕩器

眾所周知,Pierce振蕩器對(duì)于寬頻率范圍和低功耗是穩(wěn)定的.

MCU系列0或無(wú)線MCU系列0晶體振蕩器使用相對(duì)較低的振幅,這可能導(dǎo)致較低的振幅振蕩頻率比晶體數(shù)據(jù)表中的標(biāo)稱值要高.關(guān)于這種影響的更多信息在4.4頻率中給出賽拉.

3.1超時(shí)和毛刺檢測(cè)

確保XO時(shí)鐘信號(hào)在穩(wěn)定之前不會(huì)在MCU系列0或無(wú)線MCU系列0中內(nèi)部使用HFXO和LFXO包括一個(gè)可配置的超時(shí)時(shí)間(詳見AN0002:硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)).當(dāng)XO啟動(dòng)時(shí),超時(shí)計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)到時(shí)鐘信號(hào)傳播到內(nèi)部時(shí)鐘樹之前配置的周期數(shù)和數(shù)字邏輯.

對(duì)于MCU系列0或無(wú)線MCU系列0的HFXO,還可以啟用毛刺檢測(cè)器(HFXOGLITCHDETEN在CMU_CTRL).使用此設(shè)置,超時(shí)期間檢測(cè)到的任何故障將導(dǎo)致超時(shí)計(jì)數(shù)器再次啟動(dòng).這時(shí)鐘將不會(huì)傳播,直到它運(yùn)行了一個(gè)沒有故障的完整超時(shí)周期.在超時(shí)周期成功過(guò)去后毛刺檢測(cè)器自動(dòng)關(guān)閉以節(jié)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(gè)工具,可幫助用戶配置負(fù)載電容和軟件設(shè)置用于使用LFXO和HFXO.一旦找到正確的硬件配置,設(shè)計(jì)者就可以輸出應(yīng)該在應(yīng)用程序中運(yùn)行.[硬件配置器]的軟件設(shè)置用于確保可靠性是很重要的振蕩器的操作.

3.3外部時(shí)鐘和緩沖正弦輸入

HFXO和LFXO振蕩器可用作外部生成的數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的輸入.當(dāng)在此使用振蕩器時(shí)將時(shí)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(shí)鐘頻率限制設(shè)備(有關(guān)詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱設(shè)備數(shù)據(jù)表).外部緩沖的正弦信號(hào)也可以施加到HFXTAL_N,或LFXTAL_N引腳.該信號(hào)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(shí)需要(參見AN0002:寄存器設(shè)置的硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)).

4.晶體參數(shù)

4.1質(zhì)量因素

品質(zhì)因數(shù)Q是對(duì)能量在晶體中的效率或相對(duì)存儲(chǔ)與能量耗散的度量.對(duì)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(guān)系.實(shí)際上,Q值越高的晶體越多準(zhǔn)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(dòng)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(yù)期晶體具有比陶瓷諧振器更長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間.

XLS和XCS分別是LS和CS在晶體工作頻率下的電抗.

4.2負(fù)載電容

如下式所示,兩個(gè)電容器CL1和CL2為晶體提供電容負(fù)載.有效負(fù)載電容,從MCU系列0或無(wú)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(shè)在2-5pF的范圍內(nèi).正確選擇CL對(duì)于正確的工作頻率非常重要.具有小負(fù)載電容的石英晶體諧振器通常比需要大CL的晶體.大負(fù)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(xì)說(shuō)明.推薦晶體.MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)備數(shù)據(jù)表也包含更多信息在允許的負(fù)載電容范圍內(nèi).

注:MCU系列0或無(wú)線MCU系列0設(shè)備需要在XTAL_N和之間連接外部負(fù)載電容XTAL_P引腳和接地.

4.3等效串聯(lián)電阻

等效串聯(lián)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(guò)下面的等式,通常會(huì)隨著振蕩頻率的增加而減小.

MCU系列0或無(wú)線MCU系列0的HFXO/LFXO電路不能保證ESR大于a的晶體啟動(dòng)一定限度.有關(guān)詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱設(shè)備數(shù)據(jù)表.ESR越小,與這個(gè)最大值相比,越好獲得晶體啟動(dòng)的余量,這又減少了啟動(dòng)時(shí)間.此外,較小的ESR值會(huì)降低功耗振蕩期間的消耗.

請(qǐng)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(cè)量科恩.因此,與kHz相比,幾歐姆的串聯(lián)電阻對(duì)MHz范圍內(nèi)的啟動(dòng)裕度有更大的影響距離.

4.4頻率牽引

由于MCU系列0或無(wú)線MCU系列0中的晶體振蕩器使用相對(duì)較低的振蕩幅度,因此振蕩頻率當(dāng)使用建議的負(fù)載電容時(shí),頻率可以低于數(shù)據(jù)表中的規(guī)定.這種偏移最好通過(guò)測(cè)量找到使用建議的負(fù)載電容時(shí)產(chǎn)生的頻率.偏移將是穩(wěn)定的,不受溫度,電壓或者老化.如果希望達(dá)到溫度補(bǔ)償晶振的標(biāo)稱頻率,有兩種選擇:

選項(xiàng)A-向晶體供應(yīng)商訂購(gòu)標(biāo)稱頻率等于您想要達(dá)到的頻率的晶體測(cè)量的偏移頻率.

選項(xiàng)B——通過(guò)調(diào)整負(fù)載電容(CL1和CL2),可以稍微改變晶體的振蕩頻率.

這振蕩系統(tǒng)的可拉性是指通過(guò)改變晶體的諧振頻率,可以調(diào)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(lián)接地,與閉環(huán)并聯(lián).因此,它們會(huì)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(fù)載電容的變化.

4.5驅(qū)動(dòng)器級(jí)別

驅(qū)動(dòng)電平是壓電石英晶體中耗散功率的量度.晶體制造商應(yīng)指定最大功耗晶體數(shù)據(jù)表中晶體所容許的值.超過(guò)這個(gè)值會(huì)損壞晶體.

我是流經(jīng)晶體的均方根電流.如果需要,可以添加外部電阻來(lái)限制驅(qū)動(dòng)電平；然而這是除非DL太高,否則不推薦,因?yàn)樗鼤?huì)降低增益裕度并增加振蕩器的功耗.

4.6最小負(fù)電阻

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

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

如果負(fù)電阻不足以滿足該標(biāo)準(zhǔn),則需要另一種ESR和/或負(fù)載能力要求較低的晶體應(yīng)該被選擇.[硬件配置器中的XO配置器]能夠?yàn)槟幕谪?fù)載和分流電容,內(nèi)部損耗和頻率的設(shè)計(jì).上面的等式顯示了這一計(jì)算不包括并聯(lián)電容和內(nèi)部損耗.

4.7頻率穩(wěn)定性

頻率穩(wěn)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(shí)與指定振蕩頻率的最大頻率偏差各個(gè)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(xiàn)象引起的噪聲敏感度,晶體,電容tor(需要時(shí))和MCU系列0或無(wú)線MCU系列0振蕩器引腳應(yīng)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(hào)時(shí)應(yīng)小心.避免長(zhǎng)時(shí)間MCU系列0或無(wú)線MCU系列0封裝和其他電路下面的跡線可能會(huì)與產(chǎn)生虛假耦合邏輯活動(dòng).也避免通過(guò)晶體區(qū)域路由任何其他信號(hào).

兩個(gè)電容器的接地側(cè)(如果需要外部電容器)必須接地.這些聯(lián)系應(yīng)該是對(duì)于每個(gè)電容器,盡可能短且長(zhǎng)度相等.確保振蕩器下面的接地層良好質(zhì)量.不要在振蕩器下面使用單獨(dú)的接地平面,該接地平面與參考接地的連接很窄,因?yàn)檫@可能會(huì)起到天線.為了避免與周圍信號(hào)跡線耦合,最好在振蕩器周圍放置接地保護(hù)環(huán)以及它的組成部分.

4.10軟件配置

MCU系列0或無(wú)線MCU系列0允許HFXO和LFXO跨導(dǎo)(gm)的運(yùn)行時(shí)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(qiáng)功能

EMU_AUXCTRL中的REDLFXOBOOST(僅適用于EFM32GG設(shè)備)

這些位的推薦設(shè)置取決于振蕩器設(shè)計(jì)的負(fù)載和分路電容.LFXO/HFXO配置-[硬件配置器中的urator]創(chuàng)建C代碼,根據(jù)晶體的頻率,最大ESR,分路和負(fù)載電容.重要的是,這些建議應(yīng)作為incor-來(lái)遵循矩形設(shè)置會(huì)導(dǎo)致石英晶體振蕩器的不可靠操作.

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