振荡器基础知识

Maxim rtc中使用的振荡器是一种皮尔斯型振荡器的CMOS逆变器变体。图1显示了一个通用配置。这些rtc包括集成负载电容器(C(L)1和C(L)2)和偏置电阻。皮尔斯振荡器利用一个以平行共振模式工作的晶体。用于并联谐振模式的晶体被指定为具有特定负载电容的特定频率。为了使振荡器工作在正确的频率上，振荡器电路必须给晶体加载正确的容性负载。

精度

基于晶体的振荡器电路的频率精度主要取决于晶体的精度以及晶体与振荡器容性负载匹配的精度。如果电容负载小于设计的晶体，则振荡器运行速度很快。如果电容负载大于晶体设计的负载，则振荡器运行缓慢。

除了晶体和负载匹配的误差外，晶体的基频也会随着环境温度的变化而变化。Maxim rtc使用“音叉”晶体，其在温度上表现出误差，如图图2。20ppm的误差相当于每月大约1分钟。

注意:如果需要更好的精度，可以使用DS32kHz等TCXO。

晶体参数

图3显示了晶体的等效电路。在谐振频率附近，电路由动电感L(1)、动电阻R(1)和动电容C(1)组成的串联电路组成。并联分量C(O)是晶体的并联电容。

负载电容C(L)是从晶体引脚看到的振荡电路的容性负载。图4显示了C(L)作为与晶体平行的电容。振荡器电路中使用的负载电容C(L)1和C(L)2，加上电路中的任何杂散电容，共同形成总体负载电容。所有Maxim rtc都集成了C(L)1和C(L)2电容器。在印刷电路板(PCB)布局中应注意尽量减少杂散电容。C(L)与负载电容值的关系如下式:

C (L) = ((C (L) 1×C (L) 2) / (C (L) 1 + C (L) 2) + C(流浪)]

大多数晶体允许最大驱动电平为1 μ W。所有Maxim rtc都在1µW下运行。驱动级别可以使用以下公式确定:

P = 2r (1) × [π× 32,768(c (o) + c (l)) v (rms)]²

其中V(RMS)是通过晶体的电压的RMS值。

振荡器启动时间

振荡器启动时间高度依赖于晶体特性，PCB泄漏和布局。高ESR和过大的容性负载是导致启动时间长的主要原因。使用具有推荐特性和适当布局的晶体的电路通常在一秒钟内启动。

注1:有些设备允许更高的ESR值，请查看数据表以了解具体要求。

注:圆筒型尺寸为筒体直径和长度，不包括引线。所有尺寸都是近似的。

电力消耗

许多rtc被设计为使用电池供电。在一个典型的应用中，当主电源关闭时，一个小锂电池可以用来运行振荡器和时钟电路。为了最大限度地延长电池寿命，振荡器必须使用尽可能少的功率运行。要做到这一点，必须做出一些设计上的权衡。

负阻

对于典型的高频振荡器电路，电路设计为ESR留有5倍或10倍余量是正常的。低频晶体通常具有较高的esr。RTC振荡器的负电阻余量可能小于2x。裕度低的振荡器电路通常消耗较少的电流。因此，RTC振荡器通常对相对少量的杂散泄漏、噪声或ESR的增加敏感。

振荡电路的C(L)会影响功耗。内部负载为12.5pF的RTC比内部负载为6pF的RTC消耗更多的功率。然而，带有12.5pF负载电容的振荡器通常不太容易受到噪声的影响。

水晶布局指引

由于Maxim rtc的晶体输入具有非常高的阻抗(约10(9)欧姆)，晶体的引线就像非常好的天线一样，耦合来自系统其余部分的高频信号。如果一个信号耦合到晶体引脚上，它可以抵消或增加脉冲。由于电路板上的大多数信号的频率比32.768kHz晶体高得多，因此更有可能在不需要的地方添加脉冲。这些噪音脉冲被算作额外的时钟“滴答声”，使时钟看起来跑得很快。

以下步骤说明如何确定噪音是否导致RTC运行速度快:

1. 启动系统并将RTC同步到一个已知的精确时钟。

2. 关闭系统电源。

3. 等待一段时间(2小时、24小时等)。时间周期越长，就越容易测量时钟的准确性。

4. 再次打开系统，读取时钟，并与已知的精确时钟进行比较。

5. 将RTC重新同步到已知的精确时钟。

6. 保持系统上电，等待一段与步骤3中的时间相当的时间。

7. 等待上述一段时间后读取时钟，并将其与已知的准确时钟进行比较。

通过使用上述步骤，可以在系统上电和关机时确定时钟的准确性。如果时钟在系统上电时被证明是不准确的，但在系统断电时是准确的，那么问题很可能是由于系统中其他信号的噪声。但是，如果时钟在系统上电和关机时都不准确，那么问题就不是由于系统的噪声。

由于噪声可能耦合到晶体引脚上，因此在PCB布局上放置外部晶体时必须小心。这是非常重要的，要遵循一些基本的布局准则，关于晶体在PCB布局上的位置，以确保额外的时钟节拍不耦合到晶体引脚。

1. 放置晶体尽可能靠近X1和X2引脚是很重要的。保持晶体和RTC之间的走线长度尽可能小，通过减少天线的长度来减少噪声耦合的可能性。保持走线长度小也减少了杂散电容的数量。

2. 保持晶体键合垫和迹线宽度到X1和X2引脚尽可能小。这些焊盘和走线越大，噪声就越有可能从相邻信号中耦合出来。

3. 如果可能的话，在水晶周围放置一个保护环(连接到地面)。这有助于将晶体与相邻信号耦合的噪声隔离开来。请参见图2，以获得在晶体周围使用保护环的示例。

4. 尽量确保其他PCB层上没有信号直接在晶体下方或在X1和X2引脚的走线下方运行。晶体与电路板上的其他信号隔离得越好，噪声耦合到晶体中的可能性就越小。在任何数字信号和连接到X1或X2的任何迹线之间应该至少有0.200英寸。RTC应与任何产生电磁辐射(EMR)的组件隔离。这对于离散型和模块型rtc是正确的。

5. 在晶体下方的PCB层上放置一个局部地平面也可能是有帮助的。这有助于将晶体与其他PCB层上的信号的噪声耦合隔离开来。请注意，接地平面需要在晶体附近，而不是在整个板上。图5显示了一个局部地平面。注意，接平面的周长不需要大于保护环的外周长。

请注意，使用局部地平面时必须小心，因为它会引入杂散电容。走线/焊盘和地平面之间的电容加到内部负载电容器(C(L)1和C(L)2)上。因此，在考虑添加本地接地面时，必须考虑一些因素。例如，由地平面引起的电容可以用以下公式近似表示:

C = εA/t，其中
ε = PCB的介电常数
A =走线/焊盘的面积
t = PCB层厚度

因此，要确定一个接平面是否适合给定的设计，必须考虑上述参数，以确保来自本地接平面的电容不会大到足以减慢时钟。

振荡检查

设计人员检查振荡器工作时的第一个冲动通常是将示波器探头连接到振荡器输入(X1)或输出(X2)引脚。当使用实时时钟时，不建议这样做。由于振荡器被设计成以低功耗运行(这延长了电池的工作时间)，长振荡器与示波器探头很可能停止振荡器。如果振荡器不停止，额外的长降低了信号的幅度，并可能导致不稳定的操作，如变化幅度。因此，应间接验证振荡。

振荡可以用几种方法来验证。一种方法是多次读取秒寄存器，查找要增加的数据。在带有振荡器停止标志(OSF)的rtc上，清除并监控该位可以验证振荡器已经启动并持续运行。如果设计人员正在对设计进行故障排除并且无法与RTC通信，则这些方法不起作用。另一种方法是检查具有方波输出的rtc上的方波输出。检查数据表，以验证是否必须先写入RTC以启用振荡器和方波输出。请注意，大多数RTC方波输出是开漏的，并且需要一个上拉电阻来操作。方波输出也可用于验证RTC的精度，但是，必须使用具有足够精度的频率计数器。

快速的时钟

以下是导致基于晶体的RTC快速运行的最常见场景。

1. 从相邻信号耦合到晶体中的噪声。这个问题在上面已经广泛地讨论过了。噪声耦合通常导致RTC非常不准确。

2. 错误的水晶。如果使用具有指定负载电容(C(L))大于RTC指定负载电容的晶体，则RTC通常运行得很快。不准确性的严重程度取决于C(L)的值。例如，在设计为6pF C(L)的RTC上使用C(L)为12pF的晶体会导致RTC每月快3到4分钟。

慢的时钟

以下是导致基于晶体的RTC运行缓慢的最常见场景。

1. RTC输入引脚过调。可以通过周期性地停止振荡器来导致RTC运行缓慢。这可以通过RTC的噪声输入信号不经意地完成。如果输入信号上升到高于V(DD)的二极管降(~0.3V)的电压，则用于输入引脚的ESD保护二极管将正向偏置，使基片充满电流。这，反过来，停止振荡器，直到输入信号电压降低到低于二极管降高于V(DD)。

如果输入信号有噪声，这种机制可以导致振荡器频繁停止。因此，应注意确保输入信号没有超调。

另一种常见的超调问题是，当RTC处于电池备用模式时，RTC的输入电压为5V。在系统关闭某些电路但保持其他电路通电的系统中，这可能是一个问题。当设备处于备用电池模式时，确保RTC没有大于电池电压的输入信号(除非设备数据手册中另有说明)是非常重要的。

2. 错误的水晶。如果晶体的指定C(L)小于RTC的C(L)，则RTC通常运行缓慢。不准确性的严重程度取决于C(L)的值。

3. 寄生电容。晶体引脚和/或对地之间的杂散电容会减慢RTC的速度。因此，在设计PCB布局时必须小心，以确保杂散电容保持在最小值。

4. 温度。工作温度离晶体翻转温度越远，晶体振荡越慢。参见图3和图4。

时钟不运行

以下是导致RTC无法运行的最常见场景。

1. 时钟不运行时最常见的一个问题是时钟停止(CH)或使能振荡器(EOSC)位未按要求设置或清除。许多Maxim rtc包括一个电路，当第一次施加电源时，保持振荡器不运行。这允许系统等待发货给客户，而不需要从备用电池中获取电力。当系统首次上电时，软件/固件必须使能振荡器，并提示用户正确的时间和日期。

2. 表面安装晶体可能有一些N.C.(无连接)引脚。确保晶体的正确引脚连接到X1和X2引脚。

晶体制造问题

音叉晶体不应暴露于超声波清洗。它们容易受到共振振动的损坏。

晶体不应暴露在高于其最高额定值的温度下。暴露在过高的温度下可能会损坏晶体，通常会增加ESR。水晶“罐”不应该焊接到PCB上。有时这样做是为了使水晶的外壳接地。直接焊接到晶体外壳上通常会使器件承受过高的温度。

rtc一般应用于非冷凝环境。在振荡器导体周围形成的湿气会导致泄漏，从而导致振荡器停止工作。保形涂层可用于保护电路，但保形涂层本身可能引起问题。

一些适形涂层，特别是环氧基材料，可能有不可接受的离子污染水平。此外，如果PC板表面在进行保形涂层之前没有充分清洁，保形涂层可能会导致污染物集中在引线和痕迹周围。

焊剂残留会导致引脚间泄漏。RTC振荡电路由于其低功耗工作，对漏电尤为敏感。振荡器输入和输出之间的漏电或对地漏电常常使振荡器不能工作。