RTC晶體選擇的考慮
這份應(yīng)用文檔描述了晶體的選擇和Layout技術(shù)。它用來連接一個(gè)32768Hz的晶體和RTC。它同時(shí)提供了振蕩電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，和制造考量的信息。
振蕩器基礎(chǔ)
芯景科技RTC芯片中的振蕩器是Pierce-type振蕩器的COMS反向器變體。圖1表示了其主要的參數(shù)。這些RTCs 包括了完整的負(fù)載電容（CL1,CL2）和偏置電阻。Pierce振蕩器利用了并聯(lián)諧振模式下的晶體。采用并聯(lián)諧振模式的晶體將在特定的負(fù)載電容的作用下產(chǎn)生某一固定頻率的振蕩。為了讓振蕩器產(chǎn)生正確的頻率，振蕩電路必須保證電容的負(fù)載正確。
精確度
振蕩電路頻率的精確度依賴于晶振的精確度和晶體與振蕩電路負(fù)載電容的匹配程度。如果電容負(fù)載低于晶振設(shè)計(jì)的要求，振蕩頻率將變快。反之，如果電容負(fù)載比設(shè)計(jì)的要求大，則頻率變低。
除了晶振和振蕩器失配之外，晶體工作環(huán)境溫度的變化也會(huì)改變晶振的基本頻率。Dallas RTC使用了“音叉（tuning fork）”狀晶體，該晶體的溫差失調(diào)如圖2所示。20ppm的誤差大約相當(dāng)于1分鐘/月的誤差。
晶體參數(shù)
晶體中有一些基本參數(shù)，對(duì)于振蕩電路的設(shè)計(jì)很重要。圖3是晶振的等效電路圖。在共振頻率設(shè)定這邊，由動(dòng)生電感（motional inductance）L1，動(dòng)生電阻R1和動(dòng)生電容C1組成。并聯(lián)電容C0是晶體的分流電容。
負(fù)載電容CL是從晶體的引腳所看到的振蕩電路的容性負(fù)載。圖4所示的電容CL與晶振并聯(lián)。振蕩回路的負(fù)載電容CL1和CL2加上所有的感生電容一起組成了整個(gè)電路的負(fù)載電容。所有的Dallas RTCs都把CL1和CL2綜合進(jìn)來了。在畫版圖時(shí)，我們必須注意，盡量把線間的感生電容做得最小。下面給出了CL的計(jì)算公式。
CL=[(CL1×CL2)/(CL1＋CL2)＋CSTRAY]
大部分的晶振允許的最大的驅(qū)動(dòng)水平為1uw。所有的Dallas RTCs都工作在1uw以下。驅(qū)動(dòng)水平可以由以下公式?jīng)Q定。
P=2R1×[π×32768（C0＋CL）VRMS]2 ；VRMS是晶振兩端電壓的RMS（均方根）值。
振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間
振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間非常依賴于晶體參數(shù)，PC板leakage，和版圖。高的串連電阻和過大的容性負(fù)載是延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間的主要因素。使用推薦參數(shù)的晶振和通過適當(dāng)?shù)陌鎴D的制作的電路通常會(huì)使振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間低于一秒。
功耗
很多RTCs被設(shè)計(jì)成可以只依靠一塊電池供電就能工作。在其典型的應(yīng)用中，如果主電源關(guān)閉，僅依靠一小塊鋰電池就能夠驅(qū)動(dòng)振蕩器和整個(gè)時(shí)鐘電路。為了盡量延長(zhǎng)電池的壽命，振蕩器必須盡可能的降低其功耗。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，很多設(shè)計(jì)方案必須折衷。
負(fù)電阻
對(duì)于典型的高頻振蕩電路而言，通常會(huì)在設(shè)計(jì)電路時(shí)給等效串連電阻（ESR）留有5到10倍的余度。低頻電路的ESR還要高。但對(duì)于負(fù)電阻來說，一個(gè)RTC振蕩器可能只用留下少于2倍的電阻余度。低電阻余度的振蕩電路通常消耗的更低的電流值。因此，RTC振蕩器對(duì)相關(guān)的小數(shù)量的漂移電流，噪聲，或者ESR很敏感。
振蕩電路CL對(duì)功耗有影響。RTC中12.5pF的負(fù)載將比6pF的負(fù)載消耗更多的功率，但是12.5pF的負(fù)載電容將會(huì)讓整個(gè)電路的抗噪聲能力更強(qiáng)。
晶振版圖指導(dǎo)
因?yàn)镈allas RTCs的晶振輸入端有非常高的輸入阻抗（大約109Ω），這就導(dǎo)致了晶振會(huì)像一個(gè)很好的天線一樣工作，接收來自系統(tǒng)其他部分的高頻信號(hào)。如果有信號(hào)被晶振引腳接收到，該信號(hào)既可能被屏蔽掉，也可能形成的脈沖信號(hào)。因?yàn)樵诎遄由洗蟛糠值男盘?hào)都比晶振32.768Hz的頻率要高很多，所以極有可能形成所不希望的脈沖。這些噪聲脈沖也會(huì)作為時(shí)鐘的額外“滴答”聲一樣參與計(jì)數(shù)，導(dǎo)致時(shí)鐘變快。
下面介紹的步驟很容易檢測(cè)是否是噪聲導(dǎo)致RTC變快的：
1． 系統(tǒng)上電，同時(shí)讓RTC與一塊已知的精確的時(shí)鐘同步。
2． 關(guān)閉系統(tǒng)。
3． 等一段時(shí)間（2小時(shí)，24小時(shí)等）。檢測(cè)時(shí)鐘的精度就越容易。
4． 再次打開系統(tǒng)，讀時(shí)鐘，并把他與已知的那塊精確的時(shí)鐘進(jìn)行比較。
5． 再次把兩個(gè)時(shí)鐘同步。
6． 保持系統(tǒng)打開，等待與步驟3相同的時(shí)間。
7． 等時(shí)間到后讀時(shí)鐘，并與已知的精確時(shí)鐘做比較。
通過以上的方法，可以同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)上電和系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)的時(shí)鐘精度，如果證明系統(tǒng)上電時(shí)時(shí)鐘是不準(zhǔn)確的，而系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)時(shí)鐘是準(zhǔn)確的，則問題很有可能來自于系統(tǒng)噪聲。若兩種狀態(tài)下時(shí)鐘都不準(zhǔn)確，則不是由系統(tǒng)噪聲引起的問題。
因?yàn)樵肼暫苋菀妆痪д窠邮盏，所以在制PC版圖時(shí)，安置外部晶振時(shí)必須特別注意。在制PC板時(shí)，為了確保額外的時(shí)鐘計(jì)數(shù)不會(huì)被晶振接收，遵守以下的制版規(guī)則很重要。
1． 將晶振盡量靠近X1，X2引腳。保持RTC和晶振之間的距離盡量小，以減少天線長(zhǎng)度來，從而降低噪聲的接收。距離的減少會(huì)增加感生電容。
2． 保持晶振Pad和連接X1，X2的線寬盡可能的小。Pad和線寬越大，越容易接收鄰近的噪聲信號(hào)。
3． 可能的話，在晶振周圍設(shè)置保護(hù)環(huán)（保護(hù)環(huán)接地）。它將保護(hù)晶振相對(duì)于噪聲信號(hào)獨(dú)立。參見圖2
4． 盡量不要讓其他層的信號(hào)直接從晶振或連接X1，X2的信號(hào)線下穿過。相對(duì)于板上其他信號(hào)越獨(dú)立，晶振越不容易接收到噪聲信號(hào)。任何信號(hào)線和X1，X2之間的信號(hào)線必須保證最少0.200英寸的距離。RTC應(yīng)該與任何產(chǎn)生電磁信號(hào)（EMR）的元件隔離，特別是離散的和模塊化的RTCs。
5． 在晶振的正下方的層設(shè)置一塊地（ground plane）十分有幫助。它有助于晶振與其他層的層間隔離。注意地只用設(shè)置在晶振的周圍而不用覆蓋整塊板，并且最好不要超出保護(hù)環(huán)的范圍。
要注意引入地會(huì)產(chǎn)生感生電容。線間，Pad和地都會(huì)增加內(nèi)部的負(fù)載電容（CL1和CL2）。因此在增加地時(shí)有些因素必須考慮。例如，由地引起的電容，可以用以下公式計(jì)算：
C=εA/t，其中ε為PC板的介電常數(shù)。A表示線或者Pad的面積。t表示PC板的層間厚度。
因此，決定一個(gè)地是否設(shè)計(jì)正確，以上參數(shù)必須列入考量。確保由地產(chǎn)生的電容不會(huì)大到影響時(shí)鐘。
振蕩器的效驗(yàn)
當(dāng)效驗(yàn)振蕩器操作時(shí)的第一個(gè)脈沖（first impulse）設(shè)計(jì)師通常用示波器連接輸入（X1）和輸出（X2）。在設(shè)計(jì)RTC時(shí)這樣的操作通常不被推薦。因?yàn)檎袷幤魍ǔＴO(shè)計(jì)工作在低功耗下（延長(zhǎng)電池壽命），在振蕩器上轉(zhuǎn)載示波器可能會(huì)時(shí)振蕩器停止工作。就算振蕩器能繼續(xù)工作，額外的負(fù)載也會(huì)降低信號(hào)的振幅，，可能造成不穩(wěn)定的操作，比如振幅抖動(dòng)，振蕩器因此而效驗(yàn)不準(zhǔn)確。
振蕩器能夠用多種方式效驗(yàn)，一種方法就是多次讀取秒寄存器，檢查數(shù)據(jù)增量。有振蕩停止標(biāo)志位的振蕩器，先清零，然后監(jiān)視該位，效驗(yàn)振蕩器的開始和持續(xù)工作。如果設(shè)計(jì)師正在糾正一項(xiàng)錯(cuò)誤而不能與RTC聯(lián)系，這方法將不能工作。另外一個(gè)方法是檢查有方波輸出的RTC的方波輸出。查看data sheet，是否RTC必須首先寫入使能信號(hào)才能輸出方波。注意大部分的RTC方波輸出都是開漏的，需要一個(gè)上拉電阻。方波輸出同樣可以用來效驗(yàn)RTC的精度。前提是有足夠精確的頻率計(jì)數(shù)器。
時(shí)鐘變快：
以下幾種普遍情形會(huì)使晶振RTC變快。
1． 晶振周圍的信號(hào)噪聲耦合。這是最大的問題，噪聲耦合會(huì)使RTC非常的不精確。
2． 晶體使用錯(cuò)誤。如果晶振實(shí)際使用的負(fù)載電容比規(guī)定的要大，RTC將會(huì)變快。這個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤來自與CL的計(jì)算錯(cuò)誤。例如，用12pF的CL代替設(shè)計(jì)只要6pF的電容，將會(huì)導(dǎo)致RTC每個(gè)月快3到4分鐘。
時(shí)鐘變慢：
以下幾種普遍情形會(huì)使晶振RTC變慢。
1． RTC輸入引腳過長(zhǎng)（overshoot）。這有可能導(dǎo)致RTC周期性的停止而變慢，這可能由于是在噪聲輸入信號(hào)的情況下不小心產(chǎn)生的。如果輸入信號(hào)上升到超過VDD一個(gè)二極管的導(dǎo)通電壓（～0.3v）時(shí)，為保護(hù)引腳，ESD保護(hù)二極管導(dǎo)通，允許電流從襯底流走。這樣停止了振蕩器的工作，直到輸入信號(hào)電壓降到保護(hù)電壓下。如果信號(hào)噪聲大的話，這個(gè)機(jī)制會(huì)經(jīng)常使得振蕩器停止。因此，要注意不能有過大的輸入信號(hào)。另一個(gè)造成過大問題的普遍情況是當(dāng)處于備用電源工作狀況時(shí)的輸入電壓達(dá)到5V。在系統(tǒng)關(guān)閉某些電路而保持其他一些電路工作的時(shí)候，這將是一個(gè)問題。在備用電源工作模式下，保證沒有輸入信號(hào)電壓會(huì)比備用電源工作電壓高很重要。（出非data sheet有特別的規(guī)定）
2． 晶體使用錯(cuò)誤。如果晶振實(shí)際使用的負(fù)載電容比規(guī)定的要小，RTC將會(huì)變快。這個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤來自與CL的計(jì)算錯(cuò)誤。。
3． 感生電容。線間和地的感生電容會(huì)降低RTC。因此，設(shè)計(jì)版圖時(shí)，要確保各限制君安的距離。
4． 溫度。晶振運(yùn)行時(shí)的溫度變化越多（further），晶振越慢。參見圖3和4。
時(shí)鐘不能運(yùn)行
以下幾種普遍情形會(huì)使晶振RTC不能運(yùn)行。
1． CH位或者EOSC位沒有設(shè)置或者清零是時(shí)鐘不能運(yùn)行的最普遍的問題。很多Dallas RTCs包括一個(gè)能使振蕩器在第一次上電以后停止運(yùn)行的電路。這允許系統(tǒng)等待用戶命令，不用使用備用電源。當(dāng)系統(tǒng)第一次上電，軟件/硬件必須能驅(qū)動(dòng)振蕩器，和提示用戶修正時(shí)間和日期。
2． 表面封裝的晶振可能有一些沒有連接的引腳。確定晶振正確的引腳連在X1,X2引腳上。
晶振制造
調(diào)音叉狀晶振將保露在超聲波下清理。它將受到共振的影響。
晶振不能保露在高于最大的溫度下，保露在高溫下通常會(huì)影響晶振，通常增加ESR解決。晶振罐不能焊接在PC板上，有些時(shí)候，他被做在地上。直接焊接有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致溫度過高。
RTCs 應(yīng)該工作于干燥的環(huán)境，振蕩器周圍潮濕的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致漏電流（leakage），使得振蕩器停止。適當(dāng)?shù)陌b可以保護(hù)電路，但使可能引起一些其他問題。
一些好的包裝，特別是基于環(huán)氧的材料的，可能有一些無法接收的離子雜質(zhì)。另外，如果在做包裝之前PC板表面沒有清理，那么適當(dāng)?shù)陌b可能使雜質(zhì)污染導(dǎo)線。焊料的融化殘?jiān)赡軐?dǎo)致引腳之間漏電流，RTC振蕩電路通常會(huì)對(duì)漏電流特別敏感，因?yàn)樗牡凸。振蕩器輸入輸出之間的和地之間的漏電流經(jīng)常會(huì)使振蕩器停止。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
