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Part 01
前言
Part 02
为什么晶振负载电容不能用X7R电容?
1.温度稳定性差
X7R是Class II陶瓷电容,温度系数为±15%(-55°C至125°C)。这意味着温度变化时,电容值可能漂移±15%。
晶振对负载电容的稳定性要求极高,尤其是低速晶振,如32.768kHz的RTC晶振,因为其Pullability频率灵敏度较高,电容值的小幅变化就会导致频率显著偏移。
举个例子:假设晶振需要7pF负载电容,X7R电容在高温下可能变成8.05pF或低温下变成5.95pF,偏差达±1.05pF。如果Pullability是45PPM/pF,频率偏差就是±1.05×45=±47.25PPM,每天时间偏差也会高达4秒以上。
2.电压依赖性
X7R电容的电容值会随施加的直流偏置电压DC Bias变化而下降,这种现象在高电压下尤为明显。晶振电路中虽然电压通常较低1.8V或3.3V,但对于高精度应用,任何电容值漂移那都是致命伤。
相比之下,推荐的C0G/NP0电容是ClassI陶瓷电容,几乎没有电压依赖性,电容值稳定,温度系数接近0(±30PPM/°C),非常适合晶振电路。
3.老化效应
X7R电容会随时间老化,电容值可能下降2-5%(每十年)。晶振电路需要长期稳定的负载电容,老化导致的漂移会让频率逐渐偏移,影响系统精度。C0G/NP0电容则几乎无老化效应,长期使用更可靠。
Part 03
Crystal Pullability晶振灵敏度
Cm:晶振的等效动态电容,单位pF,通常很小(如1-5fF)。
Co:晶振的静态电容,单位pF,通常1-5pF。
CL:负载电容,包括外部电容和杂散电容,单位pF。
那么Pullability有什么意义呢?
低速晶振如32.768kHz的RTC晶振通常Cm较小,CL也较小,导致Pullability较高,从而电容变化对频率影响大。并且负载电容越大,灵敏度越低,公式中分母是(Co+CL)²,CL增大时,Pullability下降,频率对电容变化的敏感度降低。
两个7pF电容并联,等效负载电容CL=7/2=3.5pF。
电容精度±5%,偏差=7×0.05=0.35pF,等效偏差=0.35/2=0.175pF。
如果晶振的Pullability=45PPM/pF,频率偏差=0.175×45=7.875PPM。
时间偏差(以32.768kHz晶振为例):
增大负载电容:
假设换成两个12pF电容,CL=12/2=6pF,精度仍为±5%,Pullability按公式重新计算:
假设Cm=2fF=0.002pF,Co=1pF,则:
电容偏差=12×0.05/2=0.3pF,频率偏差=0.3×20.41≈6.12PPM。
时间偏差=6.12×86400÷1000000≈0.53秒/天。
结论就是负载电容增大,Pullability降低,频率偏差减小,时间更稳定。
所以晶振负载电容选X7R是个坑,温度漂移、电压依赖性和老化效应会让频率出现偏差,原因就是对于同一晶振的Crystal Pullability不变的情况下,负载电容的偏差会导致晶振振荡频率出现偏差。所以C0G/NP0才是正解。
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