本應(yīng)用筆記主要介紹了將32.768K晶振連接到實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的晶體選擇和布局技術(shù).它還提供有關(guān)振蕩器電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題的信息.

振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)

振蕩器是皮爾斯型振蕩器的CMOS反相器變體.圖1顯示了一般配置.這些RTC包括集成負(fù)載電容(CL1和CL2)和偏置電阻.皮爾斯振蕩器利用以并聯(lián)諧振模式工作的晶體.并聯(lián)諧振模式中使用的晶體被指定為具有特定負(fù)載電容的特定頻率.為使振蕩器以正確的頻率運(yùn)行,振蕩器電路必須使用正確的容性負(fù)載加載晶振.

圖1.帶內(nèi)部負(fù)載電容和偏置電阻的RTC振蕩器.

準(zhǔn)確性

基于晶體的石英晶體振蕩器電路的頻率精度主要取決于晶體的精度和晶體與振蕩器電容性負(fù)載之間匹配的精度.如果容性負(fù)載小于晶體設(shè)計(jì)的容量,則振蕩器運(yùn)行速度很快.如果容性負(fù)載大于晶體設(shè)計(jì)的容量,則振蕩器運(yùn)行緩慢.

除了晶體和負(fù)載匹配的誤差之外,隨著環(huán)境溫度的變化,晶體的基頻也會(huì)發(fā)生變化.使用32.768K音叉晶體,它在溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)誤差,如圖2所示.誤差為20ppm相當(dāng)于每月約1分鐘.

圖2.晶體頻率與溫度的關(guān)系.

注意:如果需要更高的精度,可以使用諸如DS32kHz的TCXO晶振.

水晶參數(shù)

圖3顯示了晶體的等效電路.在諧振頻率附近,電路由包括運(yùn)動(dòng)電感L1,運(yùn)動(dòng)電阻R1和運(yùn)動(dòng)電容C1的串聯(lián)電路組成.并聯(lián)分量CO是晶體的并聯(lián)電容.

圖3.晶體等效電路.

負(fù)載電容CL是從石英晶振的引腳看到的振蕩電路的容性負(fù)載.圖4顯示了CL作為與晶體平行的電容.振蕩器電路中使用的負(fù)載電容CL1和CL2加上電路中的任何雜散電容組合在一起,形成總負(fù)載電容.所有均集成了CL1和CL2電容.應(yīng)注意盡量減少印刷電路板(PCB)布局中的雜散電容.以下公式顯示了CL和負(fù)載電容值之間的關(guān)系:

CL=[(CL1×CL2)/(CL1+CL2)+CSTRAY]

圖4.晶體負(fù)載電容和等效并聯(lián)負(fù)載.

大多數(shù)晶體允許的最大驅(qū)動(dòng)電平為1μW.所有RTC均低于1μW.可以使用以下公式確定驅(qū)動(dòng)器級(jí)別:

P=2R1×[π×32,768(Cò+C大號(hào))VRMS]²

其中VRMS是晶體兩端電壓的RMS值.

表1.晶體規(guī)格

注1:某些器件允許更高的ESR值,請(qǐng)查看數(shù)據(jù)表以了解具體要求.

表2.晶體供應(yīng)商,圓柱型(ESR=45kΩ)

注意:氣缸型尺寸為機(jī)筒直徑和長(zhǎng)度,并排除導(dǎo)線.所有尺寸近似.

表3.晶體供應(yīng)商,表面貼裝

振蕩器啟動(dòng)時(shí)間

振蕩器啟動(dòng)時(shí)間高度依賴于晶體特性,PCB泄漏和布局.高ESR和過(guò)大的容性負(fù)載是啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的主要原因.使用具有推薦特性和適當(dāng)布局的32.768K晶振的電路通常在一秒鐘內(nèi)開始.