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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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