合理选择晶振及外部元件步骤

如今消费电子，智能电子，工业级，汽车，军工，互联网，人工智能等领域产品对石英晶振的需求与日俱增，研发新产品时，想必如何选择合适的晶振，和匹配外部元件，是件让工程师们头疼的事情。谐振器虽然只是小小的一颗电子元器件，但在确定的过程中比较复杂，甚至需要经过多次设计和实验，确定晶振的封装尺寸和参数还只是小问题，难的是其电路布局，而且晶体晶振的种类有很多种，要从上万种料号中挑出符合PCB板要求并稳定产品性能的石英晶体和石英晶体振荡器，要经过严谨的设计和计算。锦玉电子整理了晶振和外部元器件选择的方法，以下是详情内容。

嵌入STM32微控制器的低速振荡器：

低速谐振器市场提供各种石英晶体谐振器。为给定设计选择最合适的设计取决于许多参数。下面列出了必须考虑的最重要的参数（仅列出技术因素）：

•晶体尺寸或占地面积

•晶体负载电容（CL）

•振荡频率偏移（PPM）

•启动时间。

必须根据关键设计标准找到上述参数之间的权衡。图1表明市场上可用的无源晶振可以根据上述因素和折衷分为两类。市场上可用的低速晶体谐振器的分类。

具有相对大的负载电容（例如12.5pF）的石英晶体将需要更多的功率来使振荡器以谐振器标称频率驱动振荡环路。针对低功耗的设计（例如，由需要非常长的自治的硬币电池供电的RTC应用）因此更可能使用具有相对小的负载电容的谐振器。另一方面，与具有小负载电容的谐振器相比，大负载电容谐振器具有小得多的可擦除性。因此，没有严格的功耗限制的设计倾向于使用大负载电容晶体来降低可拉性。

可穿戴设备消费市场（例如智能手机，蓝牙套件）。对于这个细分市场，晶振尺寸至关重要。然而众所周知，小脚印晶体总是具有高晶体ESR。对于这种设计，如果目标设计在功耗方面具有严格的限制（几乎总是发生），则选择可能更难。在这种情况下，选择负载电容尽可能小的晶体，以优化功耗，即使这会影响滑动性。此外，具有高ESR的晶体可能具有稍长的启动时间。如果晶体尺寸没有限制，建议选择ESR尽可能小的晶体。

在嘈杂的环境中（工业应用几乎总是如此），如果没有功耗限制，建议选择具有高负载电容的晶体。这些晶体需要来自振荡器的高驱动电流，同时对噪声和外部扰动更加稳健。另一个优点是设计可牵引性将最小化。根据使用的STM32微控制器，下面列出的所有谐振器系列都可以与您的设计兼容，或仅与其中一些兼容。STM32微控制器嵌入了两种类型的低速振荡器（LSE）：

•恒定增益低速振荡器

这种类型的LSE石英晶体振荡器具有恒定增益，这使得它们仅与上面提到的少数晶体基团兼容。例如，嵌入STM32F2和STM32L1微控制器的LSE振荡器针对具有严重功耗限制的设计。因此，所选晶体应具有低负载电容和适中的ESR。嵌入STM32F1微控制器的LSE振荡器以具有中等ESR和中等负载电容的晶体谐振器为目标。

•可配置增益低速振荡器

属于该系列的LSE振荡器具有与大量晶体兼容的主要优点。嵌入这种LSE振荡器的STM32微控制器几乎不会引起任何限制。这种大量兼容的谐振器晶体允许在选择兼容的谐振器时仅关注设计约束（例如功耗，占用面积）。这些LSE振荡器分为两类：

-动态（动态）可修改增益LSE振荡器此类LSE振荡器的增益可在启动振荡器之前或启用后更改。

-静态可修改增益LSE振荡器只有在LSE振荡器关闭时才能改变增益。如果必须增加或减少振荡器跨导，则必须首先关闭LSE。表1列出了嵌入STM32微控制器的低速振荡器（LSE）列表。

注意：当静态或动态修改增益时，必须重新调整振荡频率的校准，以估算最终精度不确定度（PPM）预算。在STM32F0和STM32F3MCU中，高驱动模式（gm_crit_max=5μA/V）仅应使用12.5pF晶体，以避免振荡环路饱和并导致启动失败。使用低CL晶振时（例如CL=如图6（pF）所示，振荡频率抖动和占空比可能会失真。出于简化目的，表1中将使用以下术语：嵌入STM32微控制器的LSE振荡器：

•F4_G1：STE32F4系列与LSE第1代此类别对应STM32F401/405/407/427/429xxMCU，其特点是具有不可修改的跨导的LSE振荡器

•F4_G2：带有LSE第2代的STM32F4系列此类别对应于STM32F411/446/469/479xx，其特点是具有可静态修改的跨导的LSE振荡器。

表1.嵌入STM32微控制器的LSE振荡器（1）

1.颜色代码：

蓝色：具有跨导的LSE振荡器可动态修改（动态）。

绿色：具有不可修改的跨导的LSE振荡器。

灰度：具有静态可修改跨导的LSE振荡器。

选择STM32兼容晶体的详细步骤：

本文介绍了选择合适的晶体/外部元件的建议步骤。整个过程分为三个主要步骤：

步骤1：检查石英水晶振子与所选STM32微控制器的兼容性为了检查所选晶振与STM32微控制器之间的兼容性，首先要确定在第3.4节：振荡器跨导中描述的两个步骤中必须遵循的步骤。应根据产品数据表中提供的振荡器规范做出决定：

•如果指定了振荡器跨导参数，则应应用第一个过程。确保增益裕度比高于5（x5），以确保晶振与所选的STM32微控制器兼容。

•如果指定了Gm_Crit_max，请确保振荡环路的Gm_crit小于指定的Gm_Crit_max值。步骤2：确定负载电容CL1和CL2的电容值要确定CL1和CL2负载电容的正确电容值，请应用第3.3节：CL负载电容中指定的公式。获得的值是要使用的精确电容的近似值。在第二阶段，为了微调负载电容的值，应该执行一系列实验迭代，直到找到正确的电容值。在实验阶段，使用标准具晶体。标准具晶体是一种特征化的晶体，当PPM漂移由晶振标称负载电容（CL）加载时，PPM漂移是众所周知的。晶体制造商可根据要求提供这种晶体。选择标准具晶体后，计算晶体通过其标称负载电容加载时的振荡频率（Fetalon）。该频率由下式给出：

当晶体通过其标称负载电容加载时，Fetalon是标准具晶体振荡频率。最大值是晶体数据表中规定的振荡标称频率.PPM etalon是Quartz crystal制造商表征的标准具晶体的振荡频率漂移。

计算Fetalon时，执行以下序列：

1.第一次实验迭代应使用CL1和CL2电容值通过计算确定：

-如果振荡频率等于Fetalon，则CL1和CL2是正确的电容。因此，您可以跳过子步骤2和3。

-如果振荡频率低于Fetalon，则转到子步骤2）。

-否则执行子步骤3）。

2.对于此实验迭代，降低CL1和CL2电容值，再次测量振荡频率并将其与Fetalon进行比较：

-如果振荡频率低于Fetalon，则执行子步骤2）。

-否则执行子步骤3）。

-如果振荡频率几乎等于Fetalon，则应使用后者的CL1和CL2电容值。

3.对于此实验迭代，增加CL1和CL2电容值，再次测量振荡频率并将其与Fetalon进行比较：

-如果振荡频率低于Fetalon，则执行子步骤2）。

-否则执行子步骤3）。

-如果振荡频率几乎等于Fetalon，则应使用后者的CL1和CL2电容值。

第3步：检查振荡回路的安全系数：

注意：许多晶振厂家可根据要求检查微控制器/晶体配对兼容性。如果配对被判断为有效，则它们可以提供包括推荐的CL1和CL2值以及振荡器负电阻测量的报告。在这种情况下，可以跳过步骤2和3。

第4步：计算驱动电平和外部电阻：

计算驱动电平（DL）（参见第3.5节：驱动电平（DL）和外部电阻（RExt）计算）并检查它是否大于或低于DLcrystal：

•如果DL，则无需外部电阻。恭喜你找到了合适的水晶。

•如果DL>DLcrystal，则应计算RExt以使其具有：DL。然后，您应该重新计算考虑RExt的增益保证金。如果你发现增益裕度>5，恭喜你，你找到了合适的SMD石英谐振器。如果没有，那么这种水晶将不起作用，你必须选择另一种。返回步骤1以运行新晶体的程序。

步骤5（可选）：计算PPM准确度预算：

最后，您可以使用以下公式估算整个应用程序的PPM准确性预算：

PPM Budget是振荡频率的估计精度。PPM crystal是数据表中指定的晶体PPM精度。偏差（CL）以pF表示。它测量由负载电容值的容差引起的负载电容（CL）的偏差以及由于PCB制造工艺偏差引起的杂散电容（CS）的变化。可以用PPM/pF表示注意：上面计算的PPM预算没有考虑可能使PPM预算更大的温度变化。

通过以上的步骤与方法，即使不能熟练，但对于工程师来说也有一定的帮助，近几年频率元件市场暗流涌动，混乱中也清明，随着越来越多欧美晶振品牌入驻，对本土晶振厂家和日本，台产晶振也造成一定的冲击。但对于用户来说，意味着可以有更多的选择。