晶振电路为什么需要串联外部Rext电阻,为什么有的没有串联Rext电阻?1000字搞定它

原创 硬件那点事儿 2025-03-28 08:05

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Part 01

前言

下图中的Pierce振荡器电路是个经典的晶振振荡电路,广泛应用于MCU最小系统。这张图虽然简单,但包含了晶振电路设计中的核心元素:反相器、晶振、反馈电阻RF、限流电阻RExt以及负载电容CL1和CL2。反相器、晶振、反馈电阻RF以及负载电容CL1和CL2这些器件大家已经很熟悉了,似乎这个限流电阻Rext有时候在电路中能看到,有时候又看不到,那么晶振电路为什么需要串联外部Rext电阻,为什么有的没有串联Rext电阻呢?

Part 02

Rext电阻的作用

1.防止过驱动,保护晶振
晶振内部是石英晶体,晶振通过机械振动产生电信号。如果驱动功率drive level过高,晶振会受到过大的机械应力,可能会导致以下后果:

接触电镀损耗:晶振内部的电极一般是银或金电镀,会逐渐磨损,导致接触电阻增加。

频率漂移:机械应力的增加会改变晶振的谐振特性,频率会逐渐上升。

早期失效:长期过驱动可能导致晶振彻底失效,无法振荡。

Rext通过限制反相器输出的电流,降低晶振的驱动功率。如何确定Rext的阻值呢?晶振的数据手册通常会指定一个最大驱动功率,比如50uW到200uW。假设晶振的等效串联电阻(ESR)为50Ω,最大驱动功率为100uW,晶振的最大驱动电流为:

并且反相器的输出电压(假设VDD=3.3V)可能远高于晶振需要的电压,RExt通过分压降低晶振两端的电压,限制电流。假设我们希望晶振电流不超过1mA,RExt的值可以估算为:

2.提供180度相位移

Rext和CL2一起形成一个低通网络,为振荡回路提供额外的相位移。Pierce振荡器需要总相位移为360度,其中反相器提供180度相位移。晶振和负载电容网络提供剩余的相位移。Rext和CL2的组合可以微调相位,确保振荡条件成立,同时限制振荡幅度,避免信号过强。

Part 03

为什么有的没有串联Rext电阻?

RExt的主要作用是限制晶振的驱动功率,但如果晶振本身的驱动功率需求很低,或者反相器的输出能力已经足够"温柔",就不需要额外的RExt来限流。不同晶振对驱动功率的容忍度不同。目前市面上的晶振可以在较宽的驱动功率范围内正常工作,比如10uW到200uW。如果反相器的输出功率刚好在这个范围内,晶振就不会被过驱动,自然不需要RExt。

并且MCU内部的反相器通常已经针对晶振驱动进行了优化,输出能力被设计得较为"温和"。一些芯片会通过内部电路,比如电流源或增益控制限制输出电流,避免过驱动晶振。这种情况下,外部RExt就显得多余。具体可以参考MCU的数据手册。

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