无源晶振(晶体谐振器)的起振需要满足一系列电气和电路条件。以下是其起振的关键条件及注意事项:
1. 增益条件(Barkhausen准则)
电路增益足够:振荡电路必须提供足够的增益,以补偿晶振和电路中的损耗(如等效串联电阻ESR、寄生电容等)。若增益不足,会导致无法起振或振荡不稳定。
负阻特性:振荡电路的等效负阻(由放大器和反馈网络提供)必须大于晶振的等效串联电阻(ESR)。通常要求负阻绝对值 ≥ 5倍ESR。
2. 相位条件
环路相位偏移为360°的整数倍:振荡电路的环路相位需满足正反馈条件。在晶振的谐振频率处,晶振本身引入的相移为180°,放大器需额外提供180°相移,使总相移为360°。
3. 负载电容匹配
负载电容(CLCL):晶振的负载电容需与外部匹配电容(C1C1、C2C2)一致。若规格书标明负载电容CL=20pFCL=20pF,则外部电容需满足:
其中,Cstray为PCB寄生电容(通常估算为2-5pF)。
电容选择:C1C1和C2C2一般选择相同值(如CL=20pF CL=20pF时,选C1=C2=30pF C1=C2=30pF,考虑寄生电容后实际等效为15pF+5pF=20pF)。
4. 晶振参数要求
等效串联电阻(ESR):ESR过大会导致电路增益不足,需选择ESR在规格范围内的晶振。
驱动电平(Drive Level):电路提供的驱动功率不可超过晶振额定值(如10μW~100μW),否则可能损坏晶振。
频率精度:晶振的标称频率需与电路需求一致(如16MHz、32.768kHz等)。
5. 电路设计要点
反馈电阻(RfRf):通常并联在晶振两端(如1MΩ~10MΩ),用于偏置放大器工作在线性区。
限流电阻(RsRs):串联在晶振与放大器之间(如0Ω~1kΩ),用于限制驱动电平,避免过驱。
放大器配置:需使用高增益、高输入阻抗的反相器或放大器(如MCU内部的反相放大器)。
6. PCB布局要求
短走线:晶振尽量靠近芯片引脚,走线长度尽量短,减少寄生电容和电感。
远离干扰源:避开高频信号线、电源线等噪声源。
接地屏蔽:晶振下方铺地,并添加地过孔隔离干扰。
电源去耦:芯片电源引脚需就近放置去耦电容(如0.1μF)。
7. 常见故障排查
检查电容匹配:确认C1C1、C2C2值与晶振负载电容匹配。
测量负阻:使用网络分析仪或示波器观察负阻是否足够。
驱动电平测试:通过电流探头验证驱动功率是否在晶振额定范围内。
更换晶振:排除晶振本身损坏或参数不达标的情况。
优化布局:检查PCB走线是否过长或受干扰。
总结
无源晶振起振需同时满足增益、相位、负载电容匹配和电路设计的综合条件。设计时需严格参考晶振规格书,合理选择外围元件,并注意PCB布局的优化。若无法起振,可逐步排查电容匹配、电路增益、晶振参数及布局问题。