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STM8 Oscillator design guide
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STM8 Oscillator design guide
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April 2010 Doc ID 15287 Rev 3 1/23
AN2867
Application note
Oscillator design guide
for ST microcontrollers
Introduction
Most designers are familiar with oscillators (Pierce-Gate topology), but few really
understand how they operate, let alone how to properly design an oscillator. In practice,
most designers do not even really pay attention to the oscillator design until they realize the
oscillator does not operate properly (usually when it is already being produced). This should
not happen. Many systems or projects are delayed in their deployment because of a crystal
not working as intended. The oscillator should receive its proper amount of attention during
the design phase, well before the manufacturing phase. The designer would then avoid the
nightmare scenario of products being returned.
This application note introduces the Pierce oscillator basics and provides some guidelines
for a good oscillator design. It also shows how to determine the different external
components and provides guidelines for a good PCB for the oscillator.
This document finally contains an easy guideline to select suitable crystals and external
components, and it lists some recommended crystals (HSE and LSE) for STM32™ and
STM8A/S microcontrollers in order to quick start development.
www.st.com
Contents AN2867
2/23 Doc ID 15287 Rev 3
Contents
1 Quartz crystal properties and model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Oscillator theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Pierce oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Pierce oscillator design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1 Feedback resistor RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2 Load capacitor C
L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.3 Gain margin of the oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.4 Drive level DL and external resistor RExt calculation . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.4.1 Calculating drive level DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.4.2 Another drive level measurement method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.4.3 Calculating external resistor RExt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.5 Startup time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.6 Crystal pullability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5 Easy guideline for the selection of suitable crystal
and external components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6 Some recommended crystals for STM32™ microcontrollers . . . . . . . 16
6.1 HSE part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1.1 Part numbers of recommended 8 MHz crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1.2 Part numbers of recommended 8 MHz ceramic resonators . . . . . . . . . 16
6.1.3 Part numbers of recommended 25 MHz crystals
(Ethernet applications) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.1.4 Part numbers of recommended 14.7456 MHz crystals (audio
applications) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.2 LSE part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
7 Some recommended crystals for STM8A/S microcontrollers . . . . . . . 19
7.1 Part numbers of recommended crystal oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
7.2 Part numbers of recommended ceramic resonators . . . . . . . . . . . . . . . . 19
8 Some PCB hints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
List of tables AN2867
4/23 Doc ID 15287 Rev 3
List of tables
Table 1. Example of equivalent circuit parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Table 2. Typical feedback resistor values for given frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Table 3. EPSON
®
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Table 4. HOSONIC ELECTRONIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Table 5. CTS
®
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Table 6. FOXElectronics
®
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Table 7. Recommendable condition (for consumer). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Table 8. Recommendable condition (for CAN bus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Table 9. HOSONIC ELECTRONIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Table 10. FOXElectronics
®
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Table 11. CTS
®
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Table 12. FOXElectronics
®
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Table 13. ABRACON™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Table 14. EPSON TOYOCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Table 15. JFVNY
®
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Table 16. KDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Table 17. KYOCERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Table 18. Recommendable conditions (for consumer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Table 19. Recommendable conditions (for CAN-BUS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Table 20. Document revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
AN2867 List of figures
Doc ID 15287 Rev 3 5/23
List of figures
Figure 1. Quartz crystal model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Figure 2. Impedance representation in the frequency domain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Figure 3. Oscillator principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Figure 4. Pierce oscillator circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Figure 5. Inverter transfer function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Figure 6. Current drive measurement with a current probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figure 7. Recommended layout for an oscillator circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
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