MCU晶体两边为什么要接一个22pF电容?
2022-08-09

  绝大多数的爱好者对MCU晶体两边要接一个22pF附近的电容不理解,因为这个电容有些时候是可以不要的。参考很多书籍,讲解的很少,往往提到最多的是起稳定作用,负载电容之类的话,都不是很深入理论的分析。

  问题是很多爱好者不去关心这两个电容,他们认为按参考设计做就行了,本人也是如此,直到有一次一个手机项目就因为这个电容出了问题,损失了几百万之后,才开始真正的考虑这个电容的作用。

  其实MCU的振荡电路的真名叫“三点式电容振荡电路”,请参考网页中的图片。

MCU晶体旁边电容的作用及振荡电路的分析

  Y1是晶体,相当于三点式里面的电感,C1和C2就是电容,5404和R1实现一个NPN的三极管,大家可以对照高频书里的三点式电容振荡电路。接下来分析一下这个电路。

  5404必需要一个电阻,不然它处于饱和截止区,而不是放大区,R1相当于三极管的偏置作用,让5404处于放大区域,那么5404就是一个反相器,这个就实现了NPN三极管的作用,NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。

  接下来用通俗的方法讲解一下这个三点式振荡电路的工作原理,大家也可以直接看书。

  大家知道一个正弦振荡电路要振荡的条件是,系统放大倍数大于1,这个容易实现,相位满足360°,接下来主要讲解这个相位问题:

  5404因为是反相器,也就是说实现了180°移相,那么就需要C1,C2和Y1实现180°移相就可以,恰好,当C1,C2,Y1形成谐振时,能够实现180移相,这个大家最简单的可以以地作为参考,谐振的时候,C1、C2上通过的电流一样,地在C1、C2中间,所以恰好电压相反,实现180移相。

  当C1增大时,C2端的振幅增强,当C2降低时,振幅也增强。

  有些时候C1,C2不焊也能起振,这个不是说没有C1,C2,而是因为芯片引脚的分布电容引起的,因为本来这个C1,C2就不需要很大,所以这一点很重要。接下来分析这两个电容对振荡稳定性的影响。

  因为7404的电压反馈是靠C2的,假设C2过大,反馈电压过低,这个也是不稳定,假设C2过小,反馈电压过高,储存能量过少,容易受外界干扰,也会辐射影响外界。C1的作用对C2恰好相反。因为我们布板的时候,假设双面板,比较厚的,那么分布电容的影响不是很大,假设在高密度多层板时,就需要考虑分布电容,尤其是VCO之类的振荡电路,更应该考虑分布电容。

  有些用于工控的项目,建议不要用晶体的方法振荡,二是直接接一个有源的晶振

  很多时候大家会用到32.768K的时钟晶体来做时钟,而不是用单片机的晶体分频后来做时钟,这个原因很多人想不明白,其实这个跟晶体的稳定度有关,频率越高的晶体,Q值一般难以做高,频率稳定度不高,32.768K的晶体稳定度等各方面都不错,形成了一个工业标准,比较容易做高。

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