一般來説,單片機的時鐘電路是使用外部的無源晶振和負載電容組合實現連接到單片機的Xin和Xout引腳上,無源晶振自身無法振盪,因此需要匹配外部諧振電路才可以輸出振動信號。
但是在實際電路設計中,也會在晶振兩端並聯一個電阻。這個電阻叫做反饋電阻。
那麼並聯的這個反饋電阻有什麼作用呢?
1. 核心作用:使反相器工作在線性區
晶振電路通常採用皮爾斯振盪器結構,其中芯片內部的反相器(如施密特反相器)是核心驅動元件。但反相器本身工作在飽和區(完全導通或截止狀態)時無增益,無法形成振盪所需的放大回路。
- 並聯電阻的作用:在反相器兩端並聯高阻值電阻(如1MΩ),構成負反饋迴路,強制反相器輸入端的直流偏置電壓接近電源電壓的一半(VDD/2),使其工作在高增益的線性放大區
- 結果:線性區的高增益特性為晶振振盪提供了必要條件,確保電路在無外部擾動時仍能自激起振。
對於單片機來説,芯片內部一般都包含了反相器,有的也在內部並聯了反饋電阻,這個需要查閲具體的芯片手冊,如果沒有,可以考慮在芯片外部晶振兩端並聯反饋電阻。
2. 輔助起振:降低Q值,提升啓動效率
晶振具有極高的品質因數(Q值),導致起振需要較大能量且響應較慢,尤其在低温或低功耗場景下易失效
- 降低晶振的等效Q值,減少諧振迴路的阻抗,使晶振更容易被激勵
- 縮短起振時間,避免程序因時鐘未就緒而啓動滯後或死機
3. 增強穩定性:抑制環境干擾與頻率漂移
晶振頻率易受温度變化、電源噪聲等因素影響,導致頻率偏移或停振。
- 通過負反饋機制抵消温度變化引起的阻抗波動,減少頻率漂移
- 與負載電容協同濾除高頻諧波,輸出更純淨的正弦波(無源晶振)
4. 阻值選擇:1MΩ並非絕對標準
並聯電阻的取值需根據晶振類型和電路需求靈活調整
- MHz級晶振:常用1MΩ(如16MHz)
- KHz級晶振(如32.768kHz):常用10MΩ
阻值過小(如<100kΩ)會降低穩定性,過大(如>20MΩ)則起振效果減弱
總結:
晶振並聯電阻的核心價值在於:將反相器偏置在線性區,為振盪提供增益基礎,並衍生出加速起振、穩定頻率、抑制干擾等作用。