ST 微控制器的振荡器设计指南.pdf

### ST 微控制器的振荡器设计指南 #### 引言 振荡器设计对于微控制器的稳定运行至关重要。在实际应用中，许多设计师虽然熟悉常见的振荡器（如皮尔斯门拓扑结构），但对其工作原理理解不深，更不用说如何正确地设计振荡器了。本应用笔记旨在介绍皮尔斯振荡器的基础知识，并提供一些实用的设计指导。此外，文中还介绍了如何确定不同的外部组件，并给出了良好的印刷电路板(PCB)设计建议。本文还提供了一个简单的指南来选择合适的晶体和外部组件，并列出了一些适用于STM32™微控制器的推荐晶体（高精度外部晶体振荡器HSE和低功耗外部晶体振荡器LSE）。 #### 1. 石英晶体特性和模型 石英晶体是一种常用的振荡器元件，具有高频率稳定性和低相位噪声的特点。了解其特性及其等效电路模型对于正确设计振荡器至关重要。 - **等效电路参数**：石英晶体可以被看作是由串联电阻、电感和电容组成的等效电路。这些参数包括石英晶体的串联电阻（ESR）、并联电容（C0）、动态电容（Cd）等。 - **频率特性**：石英晶体有两个主要的工作频率——串联谐振频率和并联谐振频率，这两个频率取决于晶体的物理尺寸和制造工艺。 #### 2. 振荡器理论 振荡器的基本工作原理是基于正反馈机制，通过放大器和反馈网络产生稳定的信号输出。为了确保振荡器的稳定工作，需要满足一定的条件： - **巴克豪森准则**：这是振荡器启动和稳定工作的必要条件之一，即放大器的增益与反馈系数的乘积必须等于1，且相移为零或整数倍的360度。 - **稳定性分析**：为了确保振荡器能够在预期的频率下稳定工作，需要对振荡器进行稳定性分析，以避免频率漂移等问题。 #### 3. 皮尔斯振荡器 皮尔斯振荡器是一种常用的晶体振荡器类型，它利用石英晶体作为选频元件，能够提供非常高的频率稳定性和精度。 - **工作原理**：皮尔斯振荡器通常采用反相放大器配置，石英晶体与两个负载电容连接，形成一个稳定的振荡回路。 - **优点**：相比其他类型的振荡器，皮尔斯振荡器具有更高的频率稳定性和较低的相位噪声。 #### 4. 皮尔斯振荡器设计 - **反馈电阻RF**：选择适当的反馈电阻RF对于保证振荡器的启动和稳定性非常重要。一般来说，反馈电阻的选择应考虑放大器的增益、频率稳定性等因素。 - **负载电容CL**：负载电容CL直接影响振荡频率，因此选择正确的负载电容值对于确保频率精度至关重要。 - **振荡器的增益裕量**：为了保证振荡器的长期稳定性，设计时需要考虑增益裕量，以应对温度变化和其他环境因素的影响。 - **驱动水平DL**：驱动水平DL是指晶体受到的有效电压驱动，过高或过低的驱动水平都会影响晶体的性能。合理计算外部电阻RExt以控制驱动水平DL是非常重要的。 - **启动时间**：振荡器的启动时间是指从通电到稳定输出所需的时间，合理的电路设计可以缩短启动时间。 - **晶体拉偏能力**：晶体拉偏能力是指晶体对外界频率扰动的抵抗能力，这对于保证频率稳定性至关重要。 #### 5. 选择合适的晶体和外部组件指南 本部分提供了一个简单易用的指南来帮助选择合适的晶体和外部组件，包括晶体的频率范围、负载电容、驱动水平等关键参数。 #### 6. 推荐的晶体 针对STM32™微控制器，文中列出了几款推荐使用的晶体型号，包括： - **8MHz晶体**：给出了推荐使用的8MHz晶体的具体型号。 - **8MHz陶瓷谐振器**：提供了适用于STM32™微控制器的8MHz陶瓷谐振器的型号列表。 #### 7. PCB设计提示 PCB设计对于振荡器的性能同样重要，合理的布局可以减少电磁干扰、提高振荡器的稳定性和可靠性。 - **布线技巧**：采用短而粗的布线方式可以减少寄生效应。 - **接地处理**：良好的接地设计可以降低噪声干扰，提高信号质量。 - **隔离措施**：将振荡器与数字信号隔离可以减少相互间的干扰。 #### 8. 结论 本应用笔记详细介绍了皮尔斯振荡器的设计原则和技术要点，并提供了具体的案例分析和推荐方案。遵循这些指导原则可以帮助设计师们避免因振荡器设计不当导致的问题，确保微控制器系统的可靠性和性能。 #### 9. 修订历史 文档还包括了修订历史记录，以便读者了解文档更新的内容和版本信息。