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爱普生的FC-135 32.768kHz晶体 在BlueNRG-MS蓝牙网络协处理器中的应用

前言
EPSON官方网站推荐代理商-江苏南山电子销售的爱普生的FC-135晶体单元应用在各个领域,主要用于时钟信号。这个在其他文章中都有详细阐述,今天要说的是在蓝牙类超低功耗应用中,如ST公司的BlueNRG-MS低功耗蓝牙网络协处理器中使用FC-135,该如何选型,需注意哪些问题,跟常规选型规则为什么不一样,下面我们具体来一一说明。
一、首先看一下常规产品晶体的选型
客户IC选用ST公司的STM32F103,晶体选择参数如下:
FC-135<a href='//ab-gata-fukuen.net' target='_blank'><u>晶振</u></a>晶体参数

晶振电路接法如下图:

FC-135<a href='//ab-gata-fukuen.net' target='_blank'><u>晶振</u></a>电路接法
匹配测试的结果如下表:
FC-135<a href='//ab-gata-fukuen.net' target='_blank'><u>晶振</u></a>参数表
依据测试结果看,选择9pF的负载电容最合适。
下面再根据公式计算负载电容,负载电容的计算公式如下:
石英晶体负载电容计算公式
(其中,这里的 Ci 表示振荡电路的实际负载电容( CL晶体单元的负载电容), Cs 则表示印制基板的导线图案和部品的寄生电容等,一般按2-3pF计算。Cg 和 Cd 是振荡电路的负载电容。)
依据上面公式,Ci=7pF,Cs取2.5pF,假设Cg=Cd,代入公式计算出来的Cg 和 Cd应该分别是9pF,与测试匹配值完全吻合。所以根据公式计算出来的值是符合要求的。
 
二、特殊情况产品晶体的选型
客户选用ST公司的BlueNRG-MS低功耗蓝牙网络协处理器,该器件对晶振的要求如下:
FC-135<a href='//ab-gata-fukuen.net' target='_blank'><u>晶振</u></a>应用介绍-南山电子
根据此要求,本着晶振负载电容越小功耗越低、越容易起振的特点,我们选择EPSON的FC-135 32.768kHz 7.0PF +-20.0PPM的晶振,具体参数如下:
FC-135 32.768KHz石英<a href='//ab-gata-fukuen.net' target='_blank'><u>晶振</u></a>晶体核心参数

晶振电路接法如下图:
epson fc-135<a href='//ab-gata-fukuen.net' target='_blank'><u>晶振</u></a>电路接法
注意对于无源晶体本身没有正负之分。

依据上面公式,Ci=7pF,Cs取2pF,假设Cg=Cd,代入公式计算出来的Cg 和 Cd应该分别是10pF合适。但实际上根据EPSON匹配测试的结果看(如下图),
EPSON<a href='//ab-gata-fukuen.net' target='_blank'><u>晶振</u></a>匹配测试结果
当外接的两个电容分别是12pF时,晶振就已经不能起振了,而且最合理的匹配电容应该是15pF最合适,远远不是计算出来的10pF。所以,并不是所有的电路都可以按照公式计算出来的值进行匹配,对有些特殊芯片,特殊应用场合,仅根据计算出来的值进行产品设计,可能会带来产品不能正常工作的情况发生,给产品的可靠运行带来隐患,而客户会误认为是晶振不好,造成误诊。
究其原因,我们分析可能是因为BlueNRG-MS是低功耗处理器,晶振接口驱动能力相对比较弱,导致当匹配的负载电容越小,晶振的驱动越低,当电容小到一定值时(本电路是12pF),就不足以驱动晶振,导致晶体震荡不起来。
从数据我们了解到,使用FC-135 32.768kHz 7pF +-20ppm时,精度是9.7ppm,此时驱动功率0.003uW,远远小于晶体承受的最大值。此时的起振能力是2050K,远远大于5倍的等效电阻(350k)。
 
三、总结
综上所述,对于特殊芯片电路,晶振的选型是不完全遵循常规法则的,是与晶体理论相违背的,即不能完全按照晶体负载电容越小越容易起振的理论,来选择晶振,这样会造成振荡回路饱和,从而导致启动失败。如果要使产品可靠稳定的运行,最好做晶体的匹配测试,EPSON就提供这种完全免费的增值服务,这样经过匹配测试的产品才能可靠放心的使用。
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