單片機晶振旁邊電容的作用及振盪電路的分析

電子工程師筆記 2019-04-09

絕大多數的MCU愛好者對MCU晶體兩邊要接一個22pF附近的電容不理解,因為這個電容有些時候是可以不要的。參考很多書籍,講解的很少,往往提到最多的是起穩定作用,負載電容之類的話,都不是很深入理論的分析。

問題是很多愛好者不去關心這兩個電容,他們認為按參考設計做就行了,本人也是如此,直到有一次一個手機項目就因為這個電容出了問題,損失了幾百萬之後,才開始真正的考慮這個電容的作用。

其實MCU的振盪電路的真名叫“三點式電容振盪電路”,請參考網頁中的圖片。

單片機晶振旁邊電容的作用及振盪電路的分析


Y1是晶體,相當於三點式裡面的電感,C1和C2就是電容,5404和R1實現一個NPN的三極管,大家可以對照高頻書裡的三點式電容振盪電路。接下來分析一下這個電路。

5404必需要一個電阻,不然它處於飽和截止區,而不是放大區,R1相當於三極管的偏置作用,讓5404處於放大區域,那麼5404就是一個反相器,這個就實現了NPN三極管的作用,NPN三極管在共發射極接法時也是一個反相器。

接下來用通俗的方法講解一下這個三點式振盪電路的工作原理,大家也可以直接看書。

大家知道一個正弦振盪電路要振盪的條件是,系統放大倍數大於1,這個容易實現,相位滿足360°,接下來主要講解這個相位問題:

5404因為是反相器,也就是說實現了180°移相,那麼就需要C1,C2和Y1實現180°移相就可以,恰好,當C1,C2,Y1形成諧振時,能夠實現180移相,這個大家可以解方程等,把Y1當作一個電感來做。也可以用電容電感的特性,比如電容電壓落後電流90°,電感電壓超前電流90°來分析,都是可以的。

當C1增大時,C2端的振幅增強,當C2降低時,振幅也增強。

有些時候C1,C2不焊也能起振,這個不是說沒有C1,C2,而是因為芯片引腳的分佈電容引起的,因為本來這個C1,C2就不需要很大,所以這一點很重要。接下來分析這兩個電容對振盪穩定性的影響。

因為7404的電壓反饋是靠C2的,假設C2過大,反饋電壓過低,這個也是不穩定,假設C2過小,反饋電壓過高,儲存能量過少,容易受外界干擾,也會輻射影響外界。C1的作用對C2恰好相反。因為我們布板的時候,假設雙面板,比較厚的,那麼分佈電容的影響不是很大,假設在高密度多層板時,就需要考慮分佈電容,尤其是VCO之類的振盪電路,更應該考慮分佈電容。

有些用於工控的項目,建議不要用晶體的方法振盪,二是直接接一個有源的晶振

很多時候大家會用到32.768K的時鐘晶體來做時鐘,而不是用單片機的晶體分頻後來做時鐘,這個原因很多人想不明白,其實這個跟晶體的穩定度有關,頻率越高的晶體,Q值一般難以做高,頻率穩定度不高,32.768K的晶體穩定度等各方面都不錯,形成了一個工業標準,比較容易做高。

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