为 32 kHz 晶振选择负载电容值

电器工程 微控制器 电容器 水晶
2022-01-25 11:07:07

在我正在进行的设计中,我需要一些帮助来为 32.768 kHz XTAL 选择负载电容器。

这有点长,但最大的问题是:获得正确的负载电容值是否至关重要,以及走线和引线的寄生电容在确定这一点时有多重要。

我的设备使用 TI CC1111 SoC,并且基于 TI 提供的 USB 加密狗的参考设计CC1111 需要一个 48 MHz 高速 (HS) 振荡器和一个 32 kHz 低速 (LS) 振荡器。该参考设计为 HS 振荡器使用了一个晶体,为 LS 振荡器使用了一个内部 RC 电路。但是,CC11111 可以连接到 32.768 kHz 晶体振荡器以获得更好的精度,这是我需要的。

CC1111数据表提供了一个公式(第 36 页),用于选择负载电容器的值。作为健全性检查,我使用该公式计算参考设计中与 48 MHz xtal 一起使用的电容值。我想我应该得到与设计中实际使用的数字大致相同的数字。但是我得出的电容值与TI使用的不匹配,所以我有点担心。

我的调查细节如下,但总而言之,48 MHz 晶体的数据表说它需要 18pF 的负载电容。参考设计中使用的两个负载电容均为 22 pF。CC1111 数据表公式用于将 xtal 引线上的负载电容与负载电容(\$C_a\$ 和 \$C_b\$)的值联系起来

$$C_{负载} = \frac{1}{\frac{1}{C_a} + \frac{1}{C_b}} + C_{寄生}$$

为 \$C_{load}\$ 插入 18 pF,为 \$C_a\$ 和 \$C_b\$ 插入 22 pF,这意味着 \$C_{parasitic}\$ 必须为 7 pF。但是,数据表显示该值通常为 2.5 pF。如果我使用了这个建议,我最终会得到 \$C_a\$ = \$C_b\$ = 31 pF,而不是参考设计中实际使用的 22 pF。

或者,根据 TI 应用笔记AN100

$$C_{负载} = \frac{C_1' \times C_2'}{C_1' + C_2'},$$

其中“\$C_x'\$ 是 \$C_x\$ 中的电容、PCB 走线中的寄生电容和晶体端子中的电容之和。后面两个部分的总和通常在范围为 2 – 8 pF。”

如果 \$C_1\$ = \$C_2\$ = 22 pF,则得到 \$C_1'\$ = 2*18 pF = 36 pF,因此与每条迹线 + 端子相关的寄生电容为 36pF - 22pF = 14 pF,超出 AN100 中引用的 2 - 8 pF 范围。

我问这一切是因为我担心如果我选择了错误的负载电容值,它要么不起作用,要么频率会出错。这些类型的晶体对负载上限值有多敏感?

我的侦查细节:

从参考设计 zip 文件中包含的 Partlist.rep (BOM) 中,晶体 (X2) 和与其连接的两个负载电容器 (C203、C214) 是:

X2   Crystal, ceramic SMD    4x2.5mX_48.000/20/35/20/18
C203 Capacitor 0402 C_22P_0402_NP0_J_50
C214 Capacitor 0402 C_22P_0402_NP0_J_50

因此每个负载电容的值为 22 pF。水晶,基于对相关设备的先前 TI E2E 论坛问题的回答,是这部分:

Name: X_48.000/20/35/20/18
Descr.: Crystal, ceramic SMD, 4x2.5mm, +/-20ppm 48MHZ
Manf.: Abracon
Part #:  ABM8-48.000MHz-B2-T
Supplier: Mouser
Ordering Code: 815-ABM8-48-B2-T

18 pF 值来自ABM8-48.000MHz-B2-T的数据表。

谢谢你的帮助。

2个回答

TI 使用的 22pF 值很可能是一种折衷方案(成本/可用性)。晶体通常可以容忍几个 pF 加上或减去计算值。我猜想一些经验测试决定使用 22pF 而不是更接近的值,或者可能 22pF 已经在 BOM 上。

最终,即使是数据表中的计算也是基于杂散电容“猜测”。你必须测试你想出的任何电容值,并确保它在你的最终产品中工作。

此外,您链接到的 C1111 数据表的第 20 页说 12-18pF 是用于 32.768kHz 晶体的范围。你的旅费可能会改变。

需要记住的最重要的事情是,电容器应该与适当的介电材料(不是高度依赖温度的材料,例如 NP0/C0G)保持严格的公差。

进一步阅读:这里有一个链接,可以很好地解释晶体和电容器如何相互作用的主题。

如果您想长时间保持准确的时间,您可能需要以某种方式校准系统,因为通常为这些晶体指定的 20ppm 初始精度会在一年前给您带来 15 分钟的误差甚至查看电容器,晶体温度系数(巨大)和晶体漂移。一些 PIC 处理器有一个校准系统,可以补偿几百 ppm 的误差,但您需要在生产时或在使用过程中对其进行校准。如果您的系统在 25ºC 的温度下运行超过几度,则晶体的运行时温度补偿至关重要。总体而言,电容器稳定性通常比初始容差更重要。