摘要：晶振、陶瓷諧振槽路、RC (電阻、電容)振蕩器以及硅振蕩器是適用于微控制器(μC)的四種時鐘源。針對具體應用優化時鐘源設計依賴于以下因素：成本、精度和環境參數。本篇應用筆記討論了與微控制器時鐘選擇有關的各種因素，并對不同類型的振蕩器進行了比較。

另請參考: 微控制器時鐘支援方案

概述

微控制器的時鐘源可以分為兩類：基于機械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時鐘源，如：RC (電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩定性，包含有時鐘源、匹配電阻和電容、溫度補償等。圖1給出了兩種時鐘源。圖1給出了兩個分立的振蕩器電路，其中圖1a為皮爾斯振蕩器配置，用于機械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖1b為簡單的RC反饋振蕩器。


圖1. 簡單時鐘源：(a) 皮爾斯振蕩器 (b) RC反饋振蕩器

機械式諧振器與RC振蕩器的主要區別

基于晶振與陶瓷諧振槽路(機械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數。相對而言，RC振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內精度較差，會在標稱輸出頻率的5%至50%范圍內變化。圖1所示的電路能產生可靠的時鐘信號，但其性能受環境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時，陶瓷諧振槽路和相應的負載電容必須根據特定的邏輯系列進行優化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅動時很容易產生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環境因素有：電磁干擾(EMI)、機械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加不穩定性，并且在有些情況下，還會造成振蕩器停振。

振蕩器模塊

上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當的精度。

功耗

選擇振蕩器時還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時，相當于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負載電容，整個電源電流為2.2mA。

陶瓷諧振槽路一般具有較大的負載電容，相應地也需要更多的電流。

相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA至60mA。

硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻(固定)器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時只需不到2mA的電流。

結論

在特定的微控制器應用中，選擇最佳的時鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環境需求。下表給出了幾種常用的振蕩器類型，并分析了各自的優缺點。

表1. 不同類型時鐘源性能對比

Clock Source	Accuracy	Advantages	Disadvantages
Crystal	Medium to high	Low cost	Sensitive to EMI, vibration, and humidity. Complex circuit impedance matching.
Crystal Oscillator Module	Medium to high	Insensitive to EMI and humidity. No additional components or matching issues.	High cost; high power consumption; sensitive to vibration; large packaging.
Ceramic Resonator	Medium	Lower cost	Sensitive to EMI, vibration, and humidity.
Integrated Silicon Oscillator	Low to medium	Insensitive to EMI, vibration, and humidity. Fast startup, small size, and no additional components or matching issues.	Temperature sensitivity is generally worse than crystal and ceramic resonator types; high supply current with some types.
RC Oscillator	Very low	Lowest cost	Usually sensitive to EMI and humidity. Poor temperature and supply-voltage rejection performance.