原创 晶振的负载电容、寄生电容和动态电容及参考值

2021-10-15 16:27 337 0 分类: MCU/ 嵌入式 文集: 技术

石英晶振谐振器(Xtal)作为一种用途广泛的频率元器件,厂家们都在规格书列出了标称频率、频率稳定性、工作温度、负载电容(Load capacitance)等基本参数,有的还提供了寄生电容(Shunt capacitance)和动态电容(Motional capacitance)指标。


例如,图1晶振的负载电容CL推荐值为9pF12.5pF,动态电容C16.0fF,寄生电容Cs1.2pF。那么,这三个电容代表了什么?动态电容单位fF又是一个什么样的量级?

  

1. 厂商提供的32.768kHz晶振规格书

 

负载电容寄生电容

负载电容(Load capacitance)是以晶振为核心的整个振荡回路的全部有效电容的总和。这个CL值的大小决定着振荡器的工作频率,通过调整负载电容,就可以将振荡器的工作频率调到标称值。

 

2. 晶体的负载电容和频率的误差的关系图。


负载电容CL由厂家规格书给出,标准值有12.5 pF16 pF20 pF30pFCL容值大小和谐振频率之间的关系不是线性的。从图看出,CL变小时,频率偏差量变大;提高时,频率偏差减小。 

3. 晶振电路及负载电容定义 

负载电容CLCGCDCS组成。除了振荡电路中的两个外置电容器外,还包括晶体两个管脚之间的寄生电容(shunt capacitance),IC芯片两个引脚的寄生电容,以及来自PCB的杂散电容。 在图3中,CG是晶体振荡电路输入管脚到gnd的总电容(包括外置的CG电容、微乎其微的晶振引脚两部分);CD是晶体振荡电路输出管脚到gnd的总电容(包括外置的CD电容、微乎其微的晶振引脚两部分);CS是总的寄生电容(shunt capacitance)。 这里,寄生电容(CS)有时也称作并联电容,规格书上可以找到具体值,大小一般为0.2~8pF不等,例如图1所示的规格书中的寄生电容(shunt capacitance)为1.2pF 至于来自IC芯片引脚的Ci 以及Co,一般可以在芯片手册上查询到。相比CS,芯片的Ci 以及Co 值要小得多,完全可以忽略。 接下来,我们计算外置电容CGCD的取值大小。为了保持晶体的负载平衡,在实际应用中一般要求CG=CD,这样图3中的公式变为:CL = CG/2 + CS= CD/2 + CS。将图1中的CLCS数据引入,可得出:CG/2 = CD/2 = CL - CS = 12.5pF - 1.2pF = 11.3pFCG = CD = 22.6pF 值得注意的是,目前很多IC芯片内部已经增加了补偿电容(internal capacitance),用户只需要按照IC芯片datasheet推荐的负载电容值选择合适的石英晶体,不需要再额外增加电容了。但是因为寄生电路的不确定性,实际设计中最好还是为CG/CD预留位置。

 动态电容及单位fF
除了负载电容与寄生电容,晶振的特征参数还有容性指标——动态电容(Motional capacitance),有些晶振厂家会提供这个指标,大小一般是几个fF 这里,我们需要注意fF是一个很小的电容单位:1f = 10-151F = 103mF = 106μF = 109nF = 1012pF = 1015fF1fF = 10-3pF = 10-6nF = 10-9μF = 10-15F 可见,晶振的动态电容(Motional capacitance)是一个非常小的数值,对负载电容影响微乎其微,难怪大多数晶振厂家都不提供这个参数!

作者: 芯情观察猿, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3975615.html

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