硅振荡器与晶体和陶瓷谐振器的对比及应用

对于大多数微控制器的时钟要求而言，硅振荡器是一种简单而有效的解决方案。与晶体和陶瓷谐振器不同的是，硅定时器件对于振动、冲击和电磁干扰EMI不敏感。此外，硅振荡器不需要精心匹配定时元件或严格的电路板布线。

在实际应用中，除了一些环境因素外，时钟源的选择标准通常依据四个基本条件：精度、供电电压、尺寸和噪声。精度需求通常取决于特定应用所采用的通信标准。例如，高速USB需要±0.25%的总体时钟精度。相比之下，无需外部通信的系统可能只需5%、10%、甚至20%的时钟源精度便能很好地工作。

硅振荡器与晶体或陶瓷谐振器的比较

微控制器时钟的供电电压典型范围是1V至5.5V，而硅振荡器典型的供电电压范围为2.4V至5.5V。

时钟噪声受许多因素的影响，包括放大器的噪声、电源噪声、线路板布线、以及振荡元件固有的噪声抑制特性等（或品质因数“Q”）。晶体的Q值很高，一般而言产生的噪声最小，特别适合用于要求低基带噪声的系统中，例如音频CODEC。

然而，硅振荡器占据的空间最小，而且不需要附加的定时元件。对于大多数硅振荡器来说，所需的外部元件通常只有一个电源旁路电容。

皮尔斯振荡器

晶体和陶瓷谐振器大多被用在皮尔斯振荡器中，其中晶体或谐振器作为调谐元件用在反相放大器的反馈中。为了使电路稳定，需要另加电容和电阻来进行相移补偿和增益控制。此外，还须用电阻提供一定的阻尼，以防过驱动造成晶体或谐振器永久损坏。

图1给出了两个皮尔斯振荡器的实例。图1a是一个典型的晶体振荡电路，使用外部电容和电阻。图1b则是一个基于三端陶瓷谐振器的皮尔斯振荡器，陶瓷谐振器中集成了补偿电容。这些设计中的每一个元件的值与工作频率、供电电压、反相器的类型、元件类型（晶体或谐振器）以及制造商有关。

图1.采用晶体和三端陶瓷谐振器的皮尔斯振荡器

皮尔斯振荡器最常见的实现方法是用一个CMOS非门做为放大器。虽然这种方案的稳定性和功耗性能通常比不上基于晶体管的振荡器，但是，基于CMOS反相器的电路比较简单，而且在许多情况下非常实用。带缓冲和无缓冲反相器都能用于放大元件，其中首选无缓冲的反相器，因为它们工作得更稳定，虽然也伴随着功耗的增加。无缓冲门没有强大的输出级，所以要驱动电路板上的长走线时必须使用标准反相器加以缓冲。

硅振荡器，这种完全集成的振荡元件是最简单的时钟源。这些器件可产生规定频率的方波，可直接送入微控制器（µC）的时钟输入。硅振荡器并不依赖于机械共振特性来获得振荡频率，而是基于一个内部的RC时间常数。这样的设计使硅器件对于外部机械作用不敏感。而且，与传统振荡器不同的是，没有裸露在外的高阻抗节点，这样使硅振荡器可以承受更大的湿度和EMI影响。

硅振荡器的应用

如果用硅振荡器代替晶体或陶瓷谐振器，首先可以去掉和振荡电路相关的所有元件。这通常包括一到两个电阻和两个电容（如果它们未被包含在谐振器封装内）。振荡器可以安装在适当的位置，然后将其时钟输出引到微控制器（µC）时钟输入（OSC1）引脚。振荡器的电源应该来自于驱动µC时钟输入电路的电源。

图2和图3给出了这种设计的一个实例，其中显示的是用于MC68HC908µC的振荡电路。图2为推荐电路，三端陶瓷谐振器。

图3为采用硅振荡器的电路，本例采用MAX7375，SC70封装，包括引脚在内的外形尺寸仅为2.0mmx2.1mm。

图2.MC68HC908µC采用基于三端谐振器的振荡器

图3.MC68HC908µC采用MAX7375硅振荡器

硅振荡器在电路板上的布局通常没有很高的要求，因为这种器件输出的是低阻抗方波，它能够在电路板上传送足够的距离，且无须顾虑其他信号对它的干扰。硅振荡器能够驱动多个器件。和任何其他高速信号一样，硅振荡器的时钟输出在驱动长导线时会产生电磁辐射。靠近时钟发生器的引脚，在每路时钟信号上串连一个电阻可以降低这种辐射。如图4所示，MAX7375驱动两路时钟电路时，每条时钟线上都串入了一个电阻。

图4.串联电阻减小电磁辐射