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為什么MCU晶體兩邊要各接一個(gè)對地電容

很多MCU開(kāi)發(fā)人對MCU晶體兩邊要各接一個(gè)對地電容的做法表示不理解,因為這個(gè)電容有時(shí)可以去掉。筆者參考了很多書(shū)籍,卻發(fā)現書(shū)中講解的很少,提到更多的往往是:對地電容具穩定作用或相當于負載電容等,都沒(méi)有很深入地去進(jìn)行理論分析。而另外一方面,很多愛(ài)好者都直接忽略了晶體旁邊的這兩個(gè)電容,他們認為按參考設計做就行了。但事實(shí)上,這是MCU的振蕩電路,又稱(chēng)“三點(diǎn)式電容振蕩電路”,如圖1所示。


其中,Y1是晶體,相當于三點(diǎn)式里面的電感;C1和C2是電容,而5404和R1則實(shí)現了一個(gè)NPN型三極管(大家可以對照高頻書(shū)里的三點(diǎn)式電容振蕩電路)。


▼接下來(lái)將為大家分析一下這個(gè)電路 

首先,5404必需搭一個(gè)電阻,不然它將處于飽和截止區,而不是放大區,因為R1相當于三極管的偏置作用,能讓5404處于放大區域并充當一個(gè)反相器,從而實(shí)現NPN三極管的作用,且NPN三極管在共發(fā)射極接法時(shí)也是一個(gè)反相器。

其次將用通俗的方法為大家講解一下這個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路的工作原理。

眾所周知,一個(gè)正弦振蕩電路的振蕩條件為:系統放大倍數大于1,這個(gè)條件較容易實(shí)現;但另一方面,還需使相位滿(mǎn)足360°。而問(wèn)題就在于這個(gè)相位:由于5404是一個(gè)反相器,因此已實(shí)現了180°移相,那么就只需C1、C2和Y1再次實(shí)現 180°移相就可以了。恰好,當C1、C2和Y1形成諧振時(shí),就能實(shí)現180移相;更簡(jiǎn)單的實(shí)現方式就是以地作為參考,諧振的時(shí)候,由于C1、C2中通過(guò)的電流相同,而地則在C1、C2之間,所以恰好電壓相反,從而實(shí)現180移相。

再則,當C1增大時(shí),C2端的振幅增強;當C2降低時(shí),振幅也增強。有時(shí)即使不焊接C1、C2也能起振,但這種現象不是由不焊接C1、C2的做法造成的,而是由芯片引腳的分布電容引起,因為C1、C2的電容值本來(lái)就不需要很大,這一點(diǎn)很重要。


▼那么,這兩個(gè)電容對振蕩穩定性到底有什么影響呢? 

由于5404的電壓反饋依靠C2,假設C2過(guò)大,反饋電壓過(guò)低,這時(shí)振蕩并不穩定;假設C2過(guò)小,反饋電壓 過(guò)高,儲存能量過(guò)少,則容易受外界干擾,還會(huì )輻射影響外界。而C1的作用與C2的則恰好相反。在布板的時(shí)候,假設為雙面板且比較厚,那么分布電容的影響則 不是很大;但假設為高密度多層板時(shí),就需要考慮分布電容,尤其是VCO之類(lèi)的振蕩電路,更應該考慮分布電容。

因此,那些用于工控的項目,筆者建議更好不要使用晶體振蕩,而是直接接一個(gè)有源的晶振。很多時(shí)候大家會(huì )采用32.768K的時(shí)鐘晶體來(lái)做時(shí)鐘,而不是通過(guò)單片機的晶體分頻來(lái)做時(shí)鐘,其中原因想必很多人也不明白,其實(shí)上這是和晶體的穩定度有關(guān):頻率越高的晶體,Q值一般難以做高,頻率穩定度也比較差;而 32.768K晶體在穩定度等各方面的性能表現都不錯,還形成了一個(gè)工業(yè)標準,比較容易做高。另外值得一提的是,32.768K是16 bit數據的一半,預留更高1 bit進(jìn)位標志,用作定時(shí)計數器內部數字計算處理也非常方便。


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