石英晶体在计时应用中有着多种用法

自推出以来,32.768k微型手表水晶已成为有史以来最受欢迎的时间参考.几乎在所有情况下,为了方便和成本,设计人员都希望为此应用使用简单的逻辑门振荡器.通常应用于此类设计的标准是它应该准确,成本低且功耗低.使用表晶和CMOS逻辑可以满足所有这些标准.

在CMOS驱动2520晶振中,功耗随频率而上升,因此将工作频率降至最低是有意义的.这就是选择32.768kHz的原因.降低CMOS电路中功耗的第二种方法是减小被驱动的任何负载的大小.部分由于这个原因,手表晶体的设计通常为12.5pF负载,而不是通常的20或30pF.它还与以下因素有关：(a)所使用的CMOS类型在手表使用的低电压下耗尽蒸汽,除非使用低晶振负载电容;(b)在保持足够的逆变器输入电压的同时保持晶体驱动电平低,以及(c)允许使用非常小的微调电容器,同时仍提供必要的微调范围.

CMOS反相器振荡器的基本要求可以通过单个门和少数其他组件来满足,以提供偏置和反馈.图1显示了这种类型的典型电路.石英晶体看到的负载电容是Cout和Cin的串联组合,以及包括逻辑门输入和输出引脚电容的任何电路.图1中使用的元件值运行良好,并与从Saunders140晶体阻抗计获得的测量结果具有良好的相关性.

这给出了6.9pF负载的数字.这远低于12.5pF所需的数值,但逻辑门的输入和输出引脚都有明显的负载.这些附加值需要添加到6.9pF.这些负载通常为每引脚3pF至4pF,但最高可达10pF,并且还取决于所使用的逻辑系列.这些额外的负载以及电路中的任何杂散电容应该总计大约12.5pF.

如果需要可调谐振荡器,22pF输出电容可以用固定的10pF电容代替,与2pF到22pF的微调并联.为获得最佳效果,应使用NPO,COG或类似的低温高效介电电容,以获得最佳稳定性.

对此类低抖动晶体振荡器的频繁表达的要求是严格的公差,通常确实在布局中,其中不对修剪器做出规定.除了电容器容差的影响之外,必须理解的是,由于它们的值较低,可归因于IC的稍微可变的阻抗将导致稍微不确定的相移,因此导致振荡频率.因此,如果要求精度优于±50ppm,则无论实际晶体容差如何,建议使用微调器.

另一个重要的影响是由于温度变化.手表晶体和1MHz以下的其他类似类型具有抛物线频率-温度特性,设计周转温度为25°C(见图3).周转温度和抛物线曲率常数的公差,通常分别为±3℃和0.038ppm/°C2,意味着可以仅在有限的温度范围内保持紧公差.当然,这在手表中几乎没有什么影响,因为在使用中它与晶体的周转温度保持接近,但是如果工作温度范围可以使这种晶体的选择比AT切割单元更具成本效益需要宽于0至50℃.

用于4.194304MHz(32.768kHzx27)AT切割晶体的类似电路如图2所示.C3和C4旨在促进在标准时钟晶体负载12pF下校准的晶体的精确频率调整.如果不需要修整,则用18pF或22pF固定单元替换这些电容器(选择导致最接近标称频率的振荡的值),或者完全省略它们并指定晶体在30pF负载下进行校准.