振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)

Maxim rtc中使用的振蕩器是一種皮爾斯型振蕩器的CMOS逆變器變體。圖1顯示了一個(gè)通用配置。這些rtc包括集成負(fù)載電容器(C(L)1和C(L)2)和偏置電阻。皮爾斯振蕩器利用一個(gè)以平行共振模式工作的晶體。用于并聯(lián)諧振模式的晶體被指定為具有特定負(fù)載電容的特定頻率。為了使振蕩器工作在正確的頻率上，振蕩器電路必須給晶體加載正確的容性負(fù)載。

精度

基于晶體的振蕩器電路的頻率精度主要取決于晶體的精度以及晶體與振蕩器容性負(fù)載匹配的精度。如果電容負(fù)載小于設(shè)計(jì)的晶體，則振蕩器運(yùn)行速度很快。如果電容負(fù)載大于晶體設(shè)計(jì)的負(fù)載，則振蕩器運(yùn)行緩慢。

除了晶體和負(fù)載匹配的誤差外，晶體的基頻也會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化。Maxim rtc使用“音叉”晶體，其在溫度上表現(xiàn)出誤差，如圖圖2。20ppm的誤差相當(dāng)于每月大約1分鐘。

注意:如果需要更好的精度，可以使用DS32kHz等TCXO。

晶體參數(shù)

圖3顯示了晶體的等效電路。在諧振頻率附近，電路由動(dòng)電感L(1)、動(dòng)電阻R(1)和動(dòng)電容C(1)組成的串聯(lián)電路組成。并聯(lián)分量C(O)是晶體的并聯(lián)電容。

負(fù)載電容C(L)是從晶體引腳看到的振蕩電路的容性負(fù)載。圖4顯示了C(L)作為與晶體平行的電容。振蕩器電路中使用的負(fù)載電容C(L)1和C(L)2，加上電路中的任何雜散電容，共同形成總體負(fù)載電容。所有Maxim rtc都集成了C(L)1和C(L)2電容器。在印刷電路板(PCB)布局中應(yīng)注意盡量減少雜散電容。C(L)與負(fù)載電容值的關(guān)系如下式:

C (L) = ((C (L) 1×C (L) 2) / (C (L) 1 + C (L) 2) + C(流浪)]

大多數(shù)晶體允許最大驅(qū)動(dòng)電平為1 μ W。所有Maxim rtc都在1μW下運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)級(jí)別可以使用以下公式確定:

P = 2r (1) × [π× 32,768(c (o) + c (l)) v (rms)]2

其中V(RMS)是通過晶體的電壓的RMS值。

振蕩器啟動(dòng)時(shí)間

振蕩器啟動(dòng)時(shí)間高度依賴于晶體特性，PCB泄漏和布局。高ESR和過大的容性負(fù)載是導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間長的主要原因。使用具有推薦特性和適當(dāng)布局的晶體的電路通常在一秒鐘內(nèi)啟動(dòng)。

注1:有些設(shè)備允許更高的ESR值，請(qǐng)查看數(shù)據(jù)表以了解具體要求。

注:圓筒型尺寸為筒體直徑和長度，不包括引線。所有尺寸都是近似的。

電力消耗

許多rtc被設(shè)計(jì)為使用電池供電。在一個(gè)典型的應(yīng)用中，當(dāng)主電源關(guān)閉時(shí)，一個(gè)小鋰電池可以用來運(yùn)行振蕩器和時(shí)鐘電路。為了最大限度地延長電池壽命，振蕩器必須使用盡可能少的功率運(yùn)行。要做到這一點(diǎn)，必須做出一些設(shè)計(jì)上的權(quán)衡。

負(fù)阻

對(duì)于典型的高頻振蕩器電路，電路設(shè)計(jì)為ESR留有5倍或10倍余量是正常的。低頻晶體通常具有較高的esr。RTC振蕩器的負(fù)電阻余量可能小于2x。裕度低的振蕩器電路通常消耗較少的電流。因此，RTC振蕩器通常對(duì)相對(duì)少量的雜散泄漏、噪聲或ESR的增加敏感。

振蕩電路的C(L)會(huì)影響功耗。內(nèi)部負(fù)載為12.5pF的RTC比內(nèi)部負(fù)載為6pF的RTC消耗更多的功率。然而，帶有12.5pF負(fù)載電容的振蕩器通常不太容易受到噪聲的影響。

水晶布局指引

由于Maxim rtc的晶體輸入具有非常高的阻抗(約10(9)歐姆)，晶體的引線就像非常好的天線一樣，耦合來自系統(tǒng)其余部分的高頻信號(hào)。如果一個(gè)信號(hào)耦合到晶體引腳上，它可以抵消或增加脈沖。由于電路板上的大多數(shù)信號(hào)的頻率比32.768kHz晶體高得多，因此更有可能在不需要的地方添加脈沖。這些噪音脈沖被算作額外的時(shí)鐘“滴答聲”，使時(shí)鐘看起來跑得很快。

以下步驟說明如何確定噪音是否導(dǎo)致RTC運(yùn)行速度快:

1. 啟動(dòng)系統(tǒng)并將RTC同步到一個(gè)已知的精確時(shí)鐘。

2. 關(guān)閉系統(tǒng)電源。

3. 等待一段時(shí)間(2小時(shí)、24小時(shí)等)。時(shí)間周期越長，就越容易測(cè)量時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。

4. 再次打開系統(tǒng)，讀取時(shí)鐘，并與已知的精確時(shí)鐘進(jìn)行比較。

5. 將RTC重新同步到已知的精確時(shí)鐘。

6. 保持系統(tǒng)上電，等待一段與步驟3中的時(shí)間相當(dāng)?shù)臅r(shí)間。

7. 等待上述一段時(shí)間后讀取時(shí)鐘，并將其與已知的準(zhǔn)確時(shí)鐘進(jìn)行比較。

通過使用上述步驟，可以在系統(tǒng)上電和關(guān)機(jī)時(shí)確定時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。如果時(shí)鐘在系統(tǒng)上電時(shí)被證明是不準(zhǔn)確的，但在系統(tǒng)斷電時(shí)是準(zhǔn)確的，那么問題很可能是由于系統(tǒng)中其他信號(hào)的噪聲。但是，如果時(shí)鐘在系統(tǒng)上電和關(guān)機(jī)時(shí)都不準(zhǔn)確，那么問題就不是由于系統(tǒng)的噪聲。

由于噪聲可能耦合到晶體引腳上，因此在PCB布局上放置外部晶體時(shí)必須小心。這是非常重要的，要遵循一些基本的布局準(zhǔn)則，關(guān)于晶體在PCB布局上的位置，以確保額外的時(shí)鐘節(jié)拍不耦合到晶體引腳。

1. 放置晶體盡可能靠近X1和X2引腳是很重要的。保持晶體和RTC之間的走線長度盡可能小，通過減少天線的長度來減少噪聲耦合的可能性。保持走線長度小也減少了雜散電容的數(shù)量。

2. 保持晶體鍵合墊和跡線寬度到X1和X2引腳盡可能小。這些焊盤和走線越大，噪聲就越有可能從相鄰信號(hào)中耦合出來。

3. 如果可能的話，在水晶周圍放置一個(gè)保護(hù)環(huán)(連接到地面)。這有助于將晶體與相鄰信號(hào)耦合的噪聲隔離開來。請(qǐng)參見圖2，以獲得在晶體周圍使用保護(hù)環(huán)的示例。

4. 盡量確保其他PCB層上沒有信號(hào)直接在晶體下方或在X1和X2引腳的走線下方運(yùn)行。晶體與電路板上的其他信號(hào)隔離得越好，噪聲耦合到晶體中的可能性就越小。在任何數(shù)字信號(hào)和連接到X1或X2的任何跡線之間應(yīng)該至少有0.200英寸。RTC應(yīng)與任何產(chǎn)生電磁輻射(EMR)的組件隔離。這對(duì)于離散型和模塊型rtc是正確的。

5. 在晶體下方的PCB層上放置一個(gè)局部地平面也可能是有幫助的。這有助于將晶體與其他PCB層上的信號(hào)的噪聲耦合隔離開來。請(qǐng)注意，接地平面需要在晶體附近，而不是在整個(gè)板上。圖5顯示了一個(gè)局部地平面。注意，接平面的周長不需要大于保護(hù)環(huán)的外周長。

請(qǐng)注意，使用局部地平面時(shí)必須小心，因?yàn)樗鼤?huì)引入雜散電容。走線/焊盤和地平面之間的電容加到內(nèi)部負(fù)載電容器(C(L)1和C(L)2)上。因此，在考慮添加本地接地面時(shí)，必須考慮一些因素。例如，由地平面引起的電容可以用以下公式近似表示:

C = εA/t，其中
ε = PCB的介電常數(shù)
A =走線/焊盤的面積
t = PCB層厚度

因此，要確定一個(gè)接平面是否適合給定的設(shè)計(jì)，必須考慮上述參數(shù)，以確保來自本地接平面的電容不會(huì)大到足以減慢時(shí)鐘。

振蕩檢查

設(shè)計(jì)人員檢查振蕩器工作時(shí)的第一個(gè)沖動(dòng)通常是將示波器探頭連接到振蕩器輸入(X1)或輸出(X2)引腳。當(dāng)使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘時(shí)，不建議這樣做。由于振蕩器被設(shè)計(jì)成以低功耗運(yùn)行(這延長了電池的工作時(shí)間)，長振蕩器與示波器探頭很可能停止振蕩器。如果振蕩器不停止，額外的長降低了信號(hào)的幅度，并可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的操作，如變化幅度。因此，應(yīng)間接驗(yàn)證振蕩。

振蕩可以用幾種方法來驗(yàn)證。一種方法是多次讀取秒寄存器，查找要增加的數(shù)據(jù)。在帶有振蕩器停止標(biāo)志(OSF)的rtc上，清除并監(jiān)控該位可以驗(yàn)證振蕩器已經(jīng)啟動(dòng)并持續(xù)運(yùn)行。如果設(shè)計(jì)人員正在對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行故障排除并且無法與RTC通信，則這些方法不起作用。另一種方法是檢查具有方波輸出的rtc上的方波輸出。檢查數(shù)據(jù)表，以驗(yàn)證是否必須先寫入RTC以啟用振蕩器和方波輸出。請(qǐng)注意，大多數(shù)RTC方波輸出是開漏的，并且需要一個(gè)上拉電阻來操作。方波輸出也可用于驗(yàn)證RTC的精度，但是，必須使用具有足夠精度的頻率計(jì)數(shù)器。

快速的時(shí)鐘

以下是導(dǎo)致基于晶體的RTC快速運(yùn)行的最常見場(chǎng)景。

1. 從相鄰信號(hào)耦合到晶體中的噪聲。這個(gè)問題在上面已經(jīng)廣泛地討論過了。噪聲耦合通常導(dǎo)致RTC非常不準(zhǔn)確。

2. 錯(cuò)誤的水晶。如果使用具有指定負(fù)載電容(C(L))大于RTC指定負(fù)載電容的晶體，則RTC通常運(yùn)行得很快。不準(zhǔn)確性的嚴(yán)重程度取決于C(L)的值。例如，在設(shè)計(jì)為6pF C(L)的RTC上使用C(L)為12pF的晶體會(huì)導(dǎo)致RTC每月快3到4分鐘。

慢的時(shí)鐘

以下是導(dǎo)致基于晶體的RTC運(yùn)行緩慢的最常見場(chǎng)景。

1. RTC輸入引腳過調(diào)。可以通過周期性地停止振蕩器來導(dǎo)致RTC運(yùn)行緩慢。這可以通過RTC的噪聲輸入信號(hào)不經(jīng)意地完成。如果輸入信號(hào)上升到高于V(DD)的二極管降(~0.3V)的電壓，則用于輸入引腳的ESD保護(hù)二極管將正向偏置，使基片充滿電流。這，反過來，停止振蕩器，直到輸入信號(hào)電壓降低到低于二極管降高于V(DD)。

如果輸入信號(hào)有噪聲，這種機(jī)制可以導(dǎo)致振蕩器頻繁停止。因此，應(yīng)注意確保輸入信號(hào)沒有超調(diào)。

另一種常見的超調(diào)問題是，當(dāng)RTC處于電池備用模式時(shí)，RTC的輸入電壓為5V。在系統(tǒng)關(guān)閉某些電路但保持其他電路通電的系統(tǒng)中，這可能是一個(gè)問題。當(dāng)設(shè)備處于備用電池模式時(shí)，確保RTC沒有大于電池電壓的輸入信號(hào)(除非設(shè)備數(shù)據(jù)手冊(cè)中另有說明)是非常重要的。

2. 錯(cuò)誤的水晶。如果晶體的指定C(L)小于RTC的C(L)，則RTC通常運(yùn)行緩慢。不準(zhǔn)確性的嚴(yán)重程度取決于C(L)的值。

3. 寄生電容。晶體引腳和/或?qū)Φ刂g的雜散電容會(huì)減慢RTC的速度。因此，在設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)必須小心，以確保雜散電容保持在最小值。

4. 溫度。工作溫度離晶體翻轉(zhuǎn)溫度越遠(yuǎn)，晶體振蕩越慢。參見圖3和圖4。

時(shí)鐘不運(yùn)行

以下是導(dǎo)致RTC無法運(yùn)行的最常見場(chǎng)景。

1. 時(shí)鐘不運(yùn)行時(shí)最常見的一個(gè)問題是時(shí)鐘停止(CH)或使能振蕩器(EOSC)位未按要求設(shè)置或清除。許多Maxim rtc包括一個(gè)電路，當(dāng)?shù)谝淮问┘与娫磿r(shí)，保持振蕩器不運(yùn)行。這允許系統(tǒng)等待發(fā)貨給客戶，而不需要從備用電池中獲取電力。當(dāng)系統(tǒng)首次上電時(shí)，軟件/固件必須使能振蕩器，并提示用戶正確的時(shí)間和日期。

2. 表面安裝晶體可能有一些N.C.(無連接)引腳。確保晶體的正確引腳連接到X1和X2引腳。

晶體制造問題

音叉晶體不應(yīng)暴露于超聲波清洗。它們?nèi)菀资艿焦舱裾駝?dòng)的損壞。

晶體不應(yīng)暴露在高于其最高額定值的溫度下。暴露在過高的溫度下可能會(huì)損壞晶體，通常會(huì)增加ESR。水晶“罐”不應(yīng)該焊接到PCB上。有時(shí)這樣做是為了使水晶的外殼接地。直接焊接到晶體外殼上通常會(huì)使器件承受過高的溫度。

rtc一般應(yīng)用于非冷凝環(huán)境。在振蕩器導(dǎo)體周圍形成的濕氣會(huì)導(dǎo)致泄漏，從而導(dǎo)致振蕩器停止工作。保形涂層可用于保護(hù)電路，但保形涂層本身可能引起問題。

一些適形涂層，特別是環(huán)氧基材料，可能有不可接受的離子污染水平。此外，如果PC板表面在進(jìn)行保形涂層之前沒有充分清潔，保形涂層可能會(huì)導(dǎo)致污染物集中在引線和痕跡周圍。

焊劑殘留會(huì)導(dǎo)致引腳間泄漏。RTC振蕩電路由于其低功耗工作，對(duì)漏電尤為敏感。振蕩器輸入和輸出之間的漏電或?qū)Φ芈╇姵３Ｊ拐袷幤鞑荒芄ぷ鳌?/span>