知乎大神深入解析:?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振腳原理是什么?

2021-6-19 9:51:00
  • XTAL1和XTAL2指的是8051系 單片機(jī) 上常見(jiàn)的用于接“晶振”(晶體諧振器-Crystal Resonator”)的兩個(gè)引腳。從原理上來(lái)說(shuō),這兩個(gè)引腳和 mcu 內(nèi)部一個(gè)反相器相連接。這個(gè)反相器與外部的“晶振”組成一個(gè)構(gòu)成一個(gè) 皮爾斯振蕩器 (Pierce oscillator)。因?yàn)檫@個(gè)振蕩器集成在器件

_ _ _ XTAL1和XTAL2指的是8051系 單片機(jī) 上常見(jiàn)的用于接“晶振”(晶體諧振器-Crystal Resonator”)的兩個(gè)引腳。從原理上來(lái)說(shuō),這兩個(gè)引腳和 mcu 內(nèi)部一個(gè)反相器相連接。這個(gè)反相器與外部的“晶振”組成一個(gè)構(gòu)成一個(gè) 皮爾斯振蕩器 (Pierce oscillator)。因?yàn)檫@個(gè)振蕩器集成在器件內(nèi)部的組件實(shí)在是不能更簡(jiǎn)單啦,就一個(gè)反相器和一個(gè)電阻,非常合適于各種數(shù)字IC的設(shè)計(jì)制造流程。

深入地分析這個(gè)皮爾斯振蕩器的工作原理時(shí),不妨把它表述成以下理想的電路形式:


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模電知識(shí)告訴我們,當(dāng)期望得到一個(gè)輸出信號(hào)頻率為 知乎大神深入解析:?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振腳原理是什么? 的振蕩電路時(shí),這個(gè)電路在 知乎大神深入解析:?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振腳原理是什么? 必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件:
知乎大神深入解析:?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振腳原理是什么? 的環(huán)路相移。 閉環(huán)增益為1。

在上面的皮爾斯振蕩器的電路原理圖中,不難發(fā)現(xiàn)反相器U1對(duì)任意的頻率分量均提供了180°,即 知乎大神深入解析:?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振腳原理是什么? 的相移量。同時(shí),反相器在輸入輸出之間可以看作是一個(gè)buffer,因此通過(guò)對(duì)反相器的輸出特性進(jìn)行調(diào)教,較容易得到1的loop gain。

到這里有人會(huì)問(wèn)了, 相移量只有 知乎大神深入解析:?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振腳原理是什么? ,上面的兩個(gè)條件連一個(gè)都沒(méi)達(dá)到,這哪能起振呢? 問(wèn)題的關(guān)鍵在于電路中的其它元件上。

首先,對(duì)電路中的一顆“晶振”來(lái)說(shuō),石英晶體本身具有壓電效應(yīng),對(duì)石英晶體進(jìn)行適當(dāng)處理后可以得到一種壓電諧振器件,這就是常見(jiàn)的石英晶體諧振器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)QCR)。對(duì)QCR的物理特性進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)QCR的壓電諧振過(guò)程可以用以下的理想電路模型近乎完美地表示出來(lái)。


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右圖的電路模型中,L1-C1-R1組成了一個(gè)RLC串聯(lián)諧振電路,再加上一個(gè)實(shí)際很小的C0,整個(gè)QCR電路模型有兩個(gè)很接近的諧振點(diǎn)。QCR在電路中與反相器并聯(lián),充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè) 選頻網(wǎng)絡(luò) 的作用。整個(gè)振蕩電路在上電時(shí)可以看作是反相器的輸出端打進(jìn)去了一個(gè)階躍信號(hào),QCR把階躍中諧振點(diǎn)頻率的信號(hào)挑出來(lái),其他沒(méi)用的踢掉,在環(huán)路增益為1的情況下整個(gè)電路趨于穩(wěn)態(tài)平衡。

模電的知識(shí)告訴我們,在QCR // inverter的組合下,這個(gè)皮爾斯振蕩器已經(jīng)具備了一個(gè)理想的振蕩電路中的兩大網(wǎng)絡(luò)(選頻+放大)。貌似振蕩器中的R1和C1//C2沒(méi)有什么卵用啊。且慢,這個(gè)R1和C1//C2,正是這個(gè)電路中最美妙的地方。

把R1與C1//C2單獨(dú)抽出來(lái)配合反相器的電路組合貌似并不好理解,假如我們換種方式呢?


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圖中引進(jìn)R’是為了方便理解反相器中的loop voltage gain

右邊的運(yùn)放電路除了反相結(jié)構(gòu)本身提供的-180°相移外,R-C組合也提供了額外的相位延遲。更加奇妙的是這個(gè)電路組合在設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)那闆r下能夠根據(jù)實(shí)際電路中各元件的誤差自動(dòng)調(diào)整相移大小與反相結(jié)構(gòu)相互匹配(當(dāng)然了諧振頻率也會(huì)有少許改變),進(jìn)而保證整個(gè)loop的相移滿(mǎn)足條件1。這個(gè)“自動(dòng)調(diào)整”的過(guò)程推導(dǎo)起來(lái)很占篇幅,在這里略過(guò)不表。

在上面的圖中,還有一個(gè)很巧妙的地方,即R1是并聯(lián)在反相器的輸入輸出端的。這個(gè)小小的電阻和反相器構(gòu)成了一個(gè)反饋通路,進(jìn)而使得人們能將各種模擬電路的分析設(shè)計(jì)方法用在這樣一個(gè)邏輯門(mén)電路上,比如通過(guò)反饋的方法提高反相器的線(xiàn)性度。在這里將現(xiàn)實(shí)電路中反相器的非理想特性引入設(shè)計(jì)考慮的同時(shí),卻又能使電路圖保持簡(jiǎn)潔易懂。

實(shí)際的MCU振蕩電路是“Isolated” Pierce-Gate Oscillator,要考慮的因素比這個(gè)理論模型復(fù)雜得多,但根本原理都是一樣的。振蕩電路輸出的波形,通過(guò)下一級(jí)的 時(shí)鐘發(fā)生電路 (Clock Generator)進(jìn)行整形調(diào)整后,得到具有穩(wěn)定形狀的矩形信號(hào)并輸出至 時(shí)鐘樹(shù) ,作用于整個(gè)MCU的同步邏輯。

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