微控制器時(shí)鐘源器件包括石英晶振,陶瓷諧振器,電容器,電阻器,晶體振蕩器以及硅振蕩器等電子元器件.是組成微控制器重要的部分,應(yīng)用的最佳時(shí)鐘源取決于許多因素,包括成本,精度和環(huán)境參數(shù).本應(yīng)用筆記討論了選擇微控制器時(shí)鐘的決定因素.比較振蕩器類型.
微控制器的大多數(shù)時(shí)鐘源可以分為兩類:基于機(jī)械諧振器件的晶體管和陶瓷諧振器,以及基于電相移電路的器件,如RC(電阻器,電容器)振蕩器.硅振蕩器通常是RC振蕩器的完全集成版本,具有電流源,匹配電阻器和電容器以及溫度補(bǔ)償電路等附加優(yōu)勢(shì),可提高穩(wěn)定性.時(shí)鐘源的兩個(gè)例子如圖1所示.圖1a顯示了適用于機(jī)械諧振器件(如晶體和陶瓷諧振器)的Pierce振蕩器配置,而圖1b顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的RC反饋振蕩器.

圖1.簡(jiǎn)單時(shí)鐘源示例:(a)皮爾斯振蕩器配置和(b)RC反饋振蕩器.

機(jī)械諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別:
基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器(機(jī)械)通常提供非常高的初始精度和適度低的溫度系數(shù).相比之下,RC振蕩器提供快速啟動(dòng)和低成本,但通常在溫度和電源電壓范圍內(nèi)具有較差的精度,并且顯示出標(biāo)稱輸出頻率的5％至50％的變化.雖然圖1所示的電路可以產(chǎn)生干凈可靠的時(shí)鐘信號(hào),但它們的性能將受到環(huán)境條件,電路元件選擇和石英晶體振蕩器電路布局的嚴(yán)重影響.
陶瓷諧振器及其相關(guān)的負(fù)載電容值必須針對(duì)特定邏輯系列的操作進(jìn)行優(yōu)化.晶體,Q值較高,對(duì)放大器選擇不敏感,但在過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)易受頻率偏移(甚至損壞)的影響.電磁干擾(EMI),機(jī)械振動(dòng)和沖擊,濕度和溫度等環(huán)境因素會(huì)影響振蕩器的運(yùn)行.這些環(huán)境因素可能導(dǎo)致輸出頻率變化,抖動(dòng)增加,并且在嚴(yán)重情況下,可能導(dǎo)致振蕩器停止工作.
振蕩器模塊
通過(guò)使用振蕩器模塊可以避免上述許多考慮因素.這些模塊包含所有振蕩器電路元件,并提供時(shí)鐘信號(hào)作為低阻抗方波輸出.在各種條件下都能保證運(yùn)行.晶體振蕩器模塊和完全集成的Sitime硅晶振是最常見(jiàn)的.晶體振蕩器模塊提供類似于使用晶體的分立元件電路的精度硅振蕩器比分立元件RC振蕩器電路更精確,并且許多提供與基于陶瓷諧振器的振蕩器相當(dāng)?shù)木?
能量消耗
功耗是振蕩器選擇的另一個(gè)重要考慮因素.分立元件晶體振蕩器電路的功耗主要由反饋放大器電源電流和所用的在線電容值決定.用CMOS制造的放大器的功耗在很大程度上與工作頻率成比例,并且可以表示為功耗電容值.例如,用作反相放大器的HC04反相器柵極的功率耗散電容值通常為90pF.對(duì)于5V電源下4MHz的工作電壓,這相當(dāng)于1.8mA的電源電流.分立元件晶體振蕩器電路通常包括20pF的附加負(fù)載電容值,并且總供電電流變?yōu)?.2mA.
陶瓷諧振器電路通常指定比晶體電路更大的負(fù)載電容值,并且比使用相同放大器的晶體電路消耗更多的電流.相比之下,由于包括溫補(bǔ)晶振和控制功能,晶體振蕩器模塊通常消耗10mA至60mA的電源電流.
硅振蕩器的電源電流取決于類型和功能,可以從低頻(固定)器件的幾微安到可MEMS Oscillator的幾十毫安.低功耗硅振蕩器(如MAX7375)在4MHz工作時(shí)消耗的電流小于2mA.

表1.時(shí)鐘源類型的性能比較

時(shí)鐘源	準(zhǔn)確性	好處	缺點(diǎn)
水晶	中到高	低成本	對(duì)EMI,振動(dòng)和濕度敏感.復(fù)雜的電路阻抗匹配.
晶體振蕩器模塊	中到高	對(duì)EMI和濕度不敏感.沒(méi)有其他組件或匹配問(wèn)題.	高成本;高功耗;對(duì)振動(dòng)敏感;大包裝.
陶瓷諧振器	介質(zhì)	更低的花費(fèi)	對(duì)EMI,振動(dòng)和濕度敏感.
集成硅振蕩器	低至中等	對(duì)EMI,振動(dòng)和濕度不敏感.快速啟動(dòng),小尺寸,沒(méi)有其他組件或匹配問(wèn)題.	溫度靈敏度通常比晶體和陶瓷諧振器類型差;某些類型的高電源電流.
RC振蕩器	非常低	成本最低	通常對(duì)EMI和濕度敏感.溫度和電源電壓抑制性能差.

特定微控制器應(yīng)用的最佳時(shí)鐘源由多種因素組成,包括精度,成本,功耗和環(huán)境要求.上表總結(jié)了此處討論的常見(jiàn)貼片振蕩器電路類型及其優(yōu)缺點(diǎn).

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石英晶振與其他微控制器時(shí)鐘源的區(qū)別和功能特性

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