RTC晶体选择的考虑
这份应用文档描述了晶体的选择和Layout技术。它用来连接一个32768Hz的晶体和RTC。它同时提供了振荡电路设计标准，系统设计，和制造考量的信息。
振荡器基础
芯景科技RTC芯片中的振荡器是Pierce-type振荡器的COMS反向器变体。图1表示了其主要的参数。这些RTCs 包括了完整的负载电容（CL1,CL2）和偏置电阻。Pierce振荡器利用了并联谐振模式下的晶体。采用并联谐振模式的晶体将在特定的负载电容的作用下产生某一固定频率的振荡。为了让振荡器产生正确的频率，振荡电路必须保证电容的负载正确。
精确度
振荡电路频率的精确度依赖于晶振的精确度和晶体与振荡电路负载电容的匹配程度。如果电容负载低于晶振设计的要求，振荡频率将变快。反之，如果电容负载比设计的要求大，则频率变低。
除了晶振和振荡器失配之外，晶体工作环境温度的变化也会改变晶振的基本频率。Dallas RTC使用了“音叉（tuning fork）”状晶体，该晶体的温差失调如图2所示。20ppm的误差大约相当于1分钟/月的误差。
晶体参数
晶体中有一些基本参数，对于振荡电路的设计很重要。图3是晶振的等效电路图。在共振频率设定这边，由动生电感（motional inductance）L1，动生电阻R1和动生电容C1组成。并联电容C0是晶体的分流电容。
负载电容CL是从晶体的引脚所看到的振荡电路的容性负载。图4所示的电容CL与晶振并联。振荡回路的负载电容CL1和CL2加上所有的感生电容一起组成了整个电路的负载电容。所有的Dallas RTCs都把CL1和CL2综合进来了。在画版图时，我们必须注意，尽量把线间的感生电容做得最小。下面给出了CL的计算公式。
CL=[(CL1×CL2)/(CL1＋CL2)＋CSTRAY]
大部分的晶振允许的最大的驱动水平为1uw。所有的Dallas RTCs都工作在1uw以下。驱动水平可以由以下公式决定。
P=2R1×[π×32768（C0＋CL）VRMS]2 ；VRMS是晶振两端电压的RMS（均方根）值。
振荡器的启动时间
振荡器的启动时间非常依赖于晶体参数，PC板leakage，和版图。高的串连电阻和过大的容性负载是延长启动时间的主要因素。使用推荐参数的晶振和通过适当的版图的制作的电路通常会使振荡器的启动时间低于一秒。
功耗
很多RTCs被设计成可以只依靠一块电池供电就能工作。在其典型的应用中，如果主电源关闭，仅依靠一小块锂电池就能够驱动振荡器和整个时钟电路。为了尽量延长电池的寿命，振荡器必须尽可能的降低其功耗。为实现这个目标，很多设计方案必须折衷。
负电阻
对于典型的高频振荡电路而言，通常会在设计电路时给等效串连电阻（ESR）留有5到10倍的余度。低频电路的ESR还要高。但对于负电阻来说，一个RTC振荡器可能只用留下少于2倍的电阻余度。低电阻余度的振荡电路通常消耗的更低的电流值。因此，RTC振荡器对相关的小数量的漂移电流，噪声，或者ESR很敏感。
振荡电路CL对功耗有影响。RTC中12.5pF的负载将比6pF的负载消耗更多的功率，但是12.5pF的负载电容将会让整个电路的抗噪声能力更强。
晶振版图指导
因为Dallas RTCs的晶振输入端有非常高的输入阻抗（大约109Ω），这就导致了晶振会像一个很好的天线一样工作，接收来自系统其他部分的高频信号。如果有信号被晶振引脚接收到，该信号既可能被屏蔽掉，也可能形成的脉冲信号。因为在板子上大部分的信号都比晶振32.768Hz的频率要高很多，所以极有可能形成所不希望的脉冲。这些噪声脉冲也会作为时钟的额外“滴答”声一样参与计数，导致时钟变快。
下面介绍的步骤很容易检测是否是噪声导致RTC变快的：
1． 系统上电，同时让RTC与一块已知的精确的时钟同步。
2． 关闭系统。
3． 等一段时间（2小时，24小时等）。检测时钟的精度就越容易。
4． 再次打开系统，读时钟，并把他与已知的那块精确的时钟进行比较。
5． 再次把两个时钟同步。
6． 保持系统打开，等待与步骤3相同的时间。
7． 等时间到后读时钟，并与已知的精确时钟做比较。
通过以上的方法，可以同时检测系统上电和系统关闭时的时钟精度，如果证明系统上电时时钟是不准确的，而系统关闭时时钟是准确的，则问题很有可能来自于系统噪声。若两种状态下时钟都不准确，则不是由系统噪声引起的问题。
因为噪声很容易被晶振接收到，所以在制PC版图时，安置外部晶振时必须特别注意。在制PC板时，为了确保额外的时钟计数不会被晶振接收，遵守以下的制版规则很重要。
1． 将晶振尽量靠近X1，X2引脚。保持RTC和晶振之间的距离尽量小，以减少天线长度来，从而降低噪声的接收。距离的减少会增加感生电容。
2． 保持晶振Pad和连接X1，X2的线宽尽可能的小。Pad和线宽越大，越容易接收邻近的噪声信号。
3． 可能的话，在晶振周围设置保护环（保护环接地）。它将保护晶振相对于噪声信号独立。参见图2
4． 尽量不要让其他层的信号直接从晶振或连接X1，X2的信号线下穿过。相对于板上其他信号越独立，晶振越不容易接收到噪声信号。任何信号线和X1，X2之间的信号线必须保证最少0.200英寸的距离。RTC应该与任何产生电磁信号（EMR）的元件隔离，特别是离散的和模块化的RTCs。
5． 在晶振的正下方的层设置一块地（ground plane）十分有帮助。它有助于晶振与其他层的层间隔离。注意地只用设置在晶振的周围而不用覆盖整块板，并且最好不要超出保护环的范围。
要注意引入地会产生感生电容。线间，Pad和地都会增加内部的负载电容（CL1和CL2）。因此在增加地时有些因素必须考虑。例如，由地引起的电容，可以用以下公式计算：
C=εA/t，其中ε为PC板的介电常数。A表示线或者Pad的面积。t表示PC板的层间厚度。
因此，决定一个地是否设计正确，以上参数必须列入考量。确保由地产生的电容不会大到影响时钟。
振荡器的效验
当效验振荡器操作时的第一个脉冲（first impulse）设计师通常用示波器连接输入（X1）和输出（X2）。在设计RTC时这样的操作通常不被推荐。因为振荡器通常设计工作在低功耗下（延长电池寿命），在振荡器上转载示波器可能会时振荡器停止工作。就算振荡器能继续工作，额外的负载也会降低信号的振幅，，可能造成不稳定的操作，比如振幅抖动，振荡器因此而效验不准确。
振荡器能够用多种方式效验，一种方法就是多次读取秒寄存器，检查数据增量。有振荡停止标志位的振荡器，先清零，然后监视该位，效验振荡器的开始和持续工作。如果设计师正在纠正一项错误而不能与RTC联系，这方法将不能工作。另外一个方法是检查有方波输出的RTC的方波输出。查看data sheet，是否RTC必须首先写入使能信号才能输出方波。注意大部分的RTC方波输出都是开漏的，需要一个上拉电阻。方波输出同样可以用来效验RTC的精度。前提是有足够精确的频率计数器。
时钟变快：
以下几种普遍情形会使晶振RTC变快。
1． 晶振周围的信号噪声耦合。这是最大的问题，噪声耦合会使RTC非常的不精确。
2． 晶体使用错误。如果晶振实际使用的负载电容比规定的要大，RTC将会变快。这个严重的错误来自与CL的计算错误。例如，用12pF的CL代替设计只要6pF的电容，将会导致RTC每个月快3到4分钟。
时钟变慢：
以下几种普遍情形会使晶振RTC变慢。
1． RTC输入引脚过长（overshoot）。这有可能导致RTC周期性的停止而变慢，这可能由于是在噪声输入信号的情况下不小心产生的。如果输入信号上升到超过VDD一个二极管的导通电压（～0.3v）时，为保护引脚，ESD保护二极管导通，允许电流从衬底流走。这样停止了振荡器的工作，直到输入信号电压降到保护电压下。如果信号噪声大的话，这个机制会经常使得振荡器停止。因此，要注意不能有过大的输入信号。另一个造成过大问题的普遍情况是当处于备用电源工作状况时的输入电压达到5V。在系统关闭某些电路而保持其他一些电路工作的时候，这将是一个问题。在备用电源工作模式下，保证没有输入信号电压会比备用电源工作电压高很重要。（出非data sheet有特别的规定）
2． 晶体使用错误。如果晶振实际使用的负载电容比规定的要小，RTC将会变快。这个严重的错误来自与CL的计算错误。。
3． 感生电容。线间和地的感生电容会降低RTC。因此，设计版图时，要确保各限制君安的距离。
4． 温度。晶振运行时的温度变化越多（further），晶振越慢。参见图3和4。
时钟不能运行
以下几种普遍情形会使晶振RTC不能运行。
1． CH位或者EOSC位没有设置或者清零是时钟不能运行的最普遍的问题。很多Dallas RTCs包括一个能使振荡器在第一次上电以后停止运行的电路。这允许系统等待用户命令，不用使用备用电源。当系统第一次上电，软件/硬件必须能驱动振荡器，和提示用户修正时间和日期。
2． 表面封装的晶振可能有一些没有连接的引脚。确定晶振正确的引脚连在X1,X2引脚上。
晶振制造
调音叉状晶振将保露在超声波下清理。它将受到共振的影响。
晶振不能保露在高于最大的温度下，保露在高温下通常会影响晶振，通常增加ESR解决。晶振罐不能焊接在PC板上，有些时候，他被做在地上。直接焊接有时候会导致温度过高。
RTCs 应该工作于干燥的环境，振荡器周围潮湿的环境会导致漏电流（leakage），使得振荡器停止。适当的包装可以保护电路，但使可能引起一些其他问题。
一些好的包装，特别是基于环氧的材料的，可能有一些无法接收的离子杂质。另外，如果在做包装之前PC板表面没有清理，那么适当的包装可能使杂质污染导线。焊料的融化残渣可能导致引脚之间漏电流，RTC振荡电路通常会对漏电流特别敏感，因为它的低功耗。振荡器输入输出之间的和地之间的漏电流经常会使振荡器停止。
编辑：admin 最后修改时间：2018-01-05
