如何为MCU应用电路配置最佳晶振？

在以MCU为基础的电子系统中，往往同时存在内部高速与低速、外部高速与低速等多种不同的基础频率信号，以及倍频和分频信号，以执行指令、数据存取，和进行外部通讯接口。即使一个简单的嵌入式控制器，时钟频率也会高达几十MHz，系统中的其他组件可能各有自己不同的频率要求。例如，以太网络控制器需要25 MHz的频率，而大多数显示设备的实时时钟（RTC）则需要32.768 kHz，射频（RF）系统的频率需要更准确，以实现端对端通讯并过滤掉不需要的信号和噪声。

　　多样化的时钟源

　　MCU应用广泛，应用场景丰富多彩，工作频率各不相同，电路配置参数比较复杂。其中，振荡器除了提供特定频率外，还必须满足其他需求，如串行或无线接口注重频率精度和稳定性。低功耗表现对手持或电池供电的设备十分必要，RTC尤其如此，因为即使在低功耗或待机模式下，RTC电路始终处于有效状态。当然，成本、封装形式和外形尺寸也非常重要。

图1：MCU的时钟源

　　从基础电路看，任何振荡器都使用某种谐振（XTAL）或微调电路作为时钟源，并搭配反馈元件产生特定的频率输出。其中，微调电路可以电阻电容（RC）或电感电容（LC）网络为基础。这些装置较为简单，且能在宽广的范围内变更频率。不过，设计一个准确的RC或LC振荡器，需要使用昂贵的精确组件。MEMS硅振荡器就是利用特制的RC网络作为起振源，再组合其他补偿电路和调节技术来提高频率准确度和稳定性。常见的石英晶体谐振器（XTAL）是一种精密谐振组件。早期工艺是将压电效应的晶体切割为两个平行的晶面，并在其上沉积金属接点，然后封装成谐振器元件。现在的晶振开始采用基于半导体工艺的MEMS技术和激光加工技能，可制造500MHz的高基频、高可靠、低功耗的小型化产品，不再需要倍频操作。晶体谐振器具备很高的质量（Q）因子，这代表频率是精确定义且非常稳定，因此石英晶振是低成本、高准确度振荡器的基础。

　　XTAL与振荡器（XO）对比

　　振荡器电路通常会整合到需要频率信号的装置内。例如，许多MCU和类似装置都有两个接脚，用户在上面简单地连接一个晶体谐振器和一对陶瓷电容器，就实现了振荡器电路。

图2：振荡器组件和杂散电容

　　需要注意的是，振荡电路的总负载电容（CL）需要与晶体谐振器的指定CL相符。这是由用来匹配的陶瓷电容器加上晶体封装、振荡器输入接脚和PCB的所有杂散电容的总和。要准确计算电路中的所有杂散电容和寄生电容并不容易，因此您可以先进行预估（通常在4至6pF左右），然后测量输出频率，以查看是否需要调整电容器的值。如果总CL大于指定CL，将会降低振荡频率。如果CL太低，则频率将更高。如果CL的高低过于悬殊，则振荡器可能根本无法启动。一种更为简单方案是购买现成的振荡器模块，该模块整合了晶体谐振器，以及包括负载电容器等在内的所有需要的组件。这样，用户只需提供适合的电源供应器，就以合理的价格获得了高效能的振荡器。对于以太网络接口或无线通信系统等要求准确和稳定频率的产品应用，晶体振荡器（XO）是不错的选择。

　　VCXO与TCXO的选择

　　由于振荡器的输出频率随外部CL变化，建构能在很小范围内调节输出的晶体振荡器成为可能。例如，这在接收器需要调整自己的频率以符合接收信号的RF应用中非常实用。压控晶振（VCXO）使用称为变容器（或变容二极管）的装置作为负载电容器。变容器的电容会随施加的控制电压而变化，进而改变振荡频率。VCXO的关键参数为“牵引率”，代表控制电压范围和频率抖动。牵引率定义给定控制电压变化时的频率变化。较大的值表示振荡器可以在较大的范围内运作，但是较小的值表示较佳的稳定性和较低的相位噪声。VCXO牵引率最大调整范围通常约为+/-200ppm，控制电压通常为0-2V或3V。VCXO频率抖动会高于固定频率振荡器，尤其是在限制状态运作时调整范围的极端情况下。如果您在操作温度范围内要求的稳定性，比普通晶体振荡器所能提供的更大，则可能需要使用温度补偿晶体振荡器（TCXO）。这些也可以作为具有广泛参数的现成模块来提供。TCXO包含一个测量环境温度，然后产生控制电压以调整VCXO频率的电路，以补偿温度变化所产生的影响。TCXO会根据晶体的温度频率响应曲线计算所需的控制电压。TCXO模块通常也包括自己的稳压器，因此振荡器不会受外部供应电压变化的影响。总之，晶体谐振器（XTAL）和晶体振荡器（XO）具有广泛的参数和应用供用户选择，以满足不同应用环境需求。由于大多数频率器件都整合了完整的振荡器电路，模块话设计也有电压控制或温度补偿选项，这让选型变得非常简单。如果需要更高频率时，HFF高基频晶振（HFF oscillator）是不错的选择。