本應(yīng)用筆記介紹了將32.768Hz晶振連接到實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的晶體選擇和布局技術(shù).它還提供有關(guān)振蕩器電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造問題的信息.

振蕩器基礎(chǔ)知識

振蕩器是皮爾斯型振蕩器的CMOS反相器變體.圖1顯示了一般配置.這些RTC包括集成負(fù)載電容(CL1和CL2)和偏置電阻.皮爾斯振蕩器利用以并聯(lián)諧振模式工作的晶體.并聯(lián)諧振模式中使用的晶體被指定為具有特定負(fù)載電容的特定頻率.為使振蕩器以正確的頻率運(yùn)行,振蕩器電路必須使用正確的容性負(fù)載加載晶振.

圖1.帶內(nèi)部負(fù)載電容和偏置電阻的RTC振蕩器.

準(zhǔn)確性

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和晶體與振蕩器電容性負(fù)載之間匹配的精度.如果容性負(fù)載小于晶體設(shè)計(jì)的容量,則振蕩器運(yùn)行速度很快.如果容性負(fù)載大于晶體設(shè)計(jì)的容量,則振蕩器運(yùn)行緩慢.

除了晶體和負(fù)載匹配的誤差之外,隨著環(huán)境溫度的變化,晶體的基頻也會發(fā)生變化.使用"音叉"晶體,它在溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)誤差,如圖2所示.誤差為20ppm相當(dāng)于每月約1分鐘.

圖2.晶體頻率與溫度的關(guān)系.

注意:如果需要更高的精度,可以使用諸如DS32kHz的TCXO.

水晶參數(shù)

圖3顯示了晶體的等效電路.在諧振頻率附近,電路由包括運(yùn)動電感L1,運(yùn)動電阻R1和運(yùn)動電容C1的串聯(lián)電路組成.并聯(lián)分量CO是晶體的并聯(lián)電容.

圖3.晶體等效電路.

負(fù)載電容CL是從晶體的引腳看到的振蕩電路的容性負(fù)載.圖4顯示了CL作為與晶體平行的電容.振蕩器電路中使用的負(fù)載電容CL1和CL2加上電路中的任何雜散電容組合在一起,形成總負(fù)載電容.所有均集成了CL1和CL2電容.應(yīng)注意盡量減少印刷電路板(PCB)布局中的雜散電容.以下公式顯示了CL和負(fù)載電容值之間的關(guān)系:

CL=[(CL1×CL2)/(CL1+CL2)+CSTRAY]

圖4.晶體負(fù)載電容和等效并聯(lián)負(fù)載.

大多數(shù)晶體允許的最大驅(qū)動電平為1μW.所有MaximRTC均低于1μW.可以使用以下公式確定驅(qū)動器級別:

P=2R1×[π×32,768(Cò+C大號)VRMS]²

其中VRMS是晶體兩端電壓的RMS值.

表1.晶體規(guī)格

參數(shù)	符號	敏	典型	馬克斯	單位
標(biāo)稱頻率	fO.		32.768		千赫
頻率容差	delta f / fO.		±20		PPM
負(fù)載電容	CL		6		pF的
溫度轉(zhuǎn)換點(diǎn)	T0	20	25	三十	℃下
拋物線曲率常數(shù)	?			0.042	PPM /℃
品質(zhì)因素	Q	40000	70000
串聯(lián)電阻	ESR			45	千歐
分流電容	C0		1.1	1.8	pF的
電容比	C0/ C1		430	600
駕駛級別	DL			1	μW

注1:某些器件允許更高的ESR值,請查看數(shù)據(jù)表以了解具體要求.

表2.晶體供應(yīng)商,圓柱型(ESR=45kΩ)

Manufacturer	Part	Frequency Tolerance (ppm)	ESR (kΩ)	Drive Level max (µW)	CL-pF	Alternate CL?	Temp Range (°C)	Surface or Thru-Hole	Package Dimensions (mm)	Manufacturer Ordering Number
Citizen	CFS-145	±20	40	1.0	8.0	yes	-10to+60	TH	1.5 x 5.1
Citizen	CFS-206	±20	35	1.0	12.5	yes	-10to+60	TH	2.1 x 6.2
Citizen	CMR-200T	±20	35	1.0	12.5 or 6.0	yes	-40to+85	SMT	2.0 X 6.0	CMR200TB32.768KDZFTR or CMR200TB32.768KDZBTR
ECS, Inc.	ECS-3X8	±20	35	1.0	12.5	?	-10to+60	TH	3.1 x 8.2
ECS, Inc.	ECS-2X6	±20	35	1.0	12.5	?	-10to+60	TH	2.1 x 6.2
ECS, Inc.	ECS-1X5	±20	35	1.0	8	?	-10to+60	TH	1.5 x 5.1
KDS/Daiwa	DT-26	±20 or ±30	40	1.0	12.5	yes	-10to+60	TH	2.0 x 6.0	1TB602G00
KDS/Daiwa	DT-38	±20 or ±30	30	1.0	12.5	yes	-10to+60	TH	3.0 x 8.0
Pletronics	WX26	±20	40	1.0	12.5	6.0	-10to+60	TH	2.1 x 6.2	WX26-32.768k-6pF
Fox	NC-38		35	1.0	12.5	6.0	-20to+60	TH	3.0 x 8.3
Seiko	C-001R	±20	45	1.0	12.5	6	-10to+60	TH	3.1 x 8.0
Seiko	C-2	±20	35	1.0	12.5	6	-10to+60	TH	2.0 x 6.0

注意:氣缸型尺寸為機(jī)筒直徑和長度,并排除導(dǎo)線.所有尺寸近似.

表3.晶體供應(yīng)商,表面貼裝

Manufacturer	Part	Frequency Tolerance (ppm)	ESR (kΩ)	Drive Level max (µW)	CL-pF	Alternate CL?	Temp Range (°C)	Dimensions (mm) approximate, including leads
Seiko	SP-T2	±20	50	1.0	12.5	yes	-40 to +85	8.7 x 3.7 x 2.5
EPSON	MC-306	±20	50	1.0	12.5	yes	-40 to +85	8.0 x 3.8 x 2.54
KDS	DMX-26S	±30	50	1.0	12.5	yes	-40 to +85	8.0 x 3.8 x 2.4