石英晶體與藍牙技術的配合方案

李冬強 LI Dong-qiang；梁生元 LIANG Sheng-yuan

（南京中電熊貓晶體科技有限公司，南京 210028）

（Nanjing China Electronics Panda Crystal Technology Cooporation，Nanjing 210028，China）

0 引言

目前的石英晶體為微控制器、通信設備、精密儀器提供相同的頻率控制功能。而在藍牙技術中應用也非常廣泛，如藍牙耳機/手機/PDA/多媒體/電腦等，根據最終應用不同，在決定采用什么樣的頻率源時，通常有三個主要因素需要考慮：對于無線系統設計來說，超高精度的頻率源是非常關鍵的；此外，對于便攜式設備和PCMCIA 卡來說，尺寸和成本也非常重要。

當設計新的無線系統時，首先要做的決策之一就是到底采用石英晶體諧振器（以下簡稱晶體）加獨立振蕩器電路的方式，還是直接選用封裝好的晶體振蕩器（以下簡稱晶振）。設計人員都希望利用便宜的晶體再配合自己設計的振蕩電路來降低成本。

本篇文章筆者將以藍牙耳機中主流芯片BluecoreTM5為例來討論。該芯片由全球領先的藍牙連接及無線技術提供商CSR 公司（英國劍橋無線電子）生產，下面就芯片電路特性及石英晶體的匹配使用展開介紹。

1 石英晶體諧振器與藍牙芯片的配合

BluecoreTM5芯片頻率范圍從8Mhz～52Mhz，通過軟件設置可以設不同的工作頻率點，但必須是250Khz 的整數倍，內部使用的默認頻點是26Mhz。在設計時藍牙芯片設定當時鐘請求命令發出后,延時11ms 后無線發射系統才會被激活，因此在這一點時鐘的精度要在20ppm 以內。

1.1 電路原理 芯片中包含一個晶體驅動電路，外接晶體和電容器后組成一個皮爾斯振蕩器，晶體連在芯片的Xin 和Xout 端，諧振頻率可以通過C1和C2進行調整，芯片內部還包含了一個可調電容進行微調，驅動電路是一個跨導放大器，當電壓加在輸入端時，在輸出端將產生電流,從而激勵晶體振動。

1.2 負載電容的匹配 為了諧振在晶體的標稱頻率上必須用晶體規格的負載電容，它的定義是從晶體兩端看進去的所有電容之和。芯片內部有一個可調電容Ctrim 和它本身電容Cint，還有外接電容C1和C2及電路設計時雜散電容Cs，為了獲得最好的相噪，C1取值時應當是C2值的3倍，在這種匹配下信號在輸入端可獲得最快的回轉速度和擺動的最大值。

晶體的負載用式（1）計算：

式中：Ctrim=3.4pF（默認中間值），Cint=1.5pF，C0值是晶體靜電容，根據晶體生產廠家工藝不一致而不同，但該值應該大于1pF，Cs 一般為1～3pF 根據設計布線板材而不同，這也是負載最不確定的一項。

筆者以南京中電熊貓晶體科技有限公司（簡稱南京中電）26Mhz3225晶體來舉例估算式1中CL 值，C0為1pF，Cs 取2pF，C1取10pF，C2取3.3pF 則上式CL 值為8.5pF，當然這只是理論值，實際電路的CL 值仍需要生產廠家來匹配測試。

1.3 頻率調整 藍牙芯片能夠進行頻率調整，這是該芯片的典型特征，頻率調諧是通過內部的可調電容來校正晶體的負載來完成的，Ctrim 的值通過一個6位字節的鍵來設置（PSKEY-ANA-FTRIM）。

它的值由式（2）來計算：

可調電容Ctrim 連在晶體的輸入端和地之間，從晶體終端看進去,外接電容和它呈現一個總的負載，Ctrim 的值每步變化最小是55fF。

頻率微調用下式（3）來計算：

式（3）中F 是晶體頻率，Ts 是晶體的一個參數——微調靈敏度（trim sensitivity），單位是ppm/pF，就是說當負載每變化1pF 時頻率的變化值，藍牙芯片要求該值大于20ppm。仍以南京中電26Mhz3225晶體來舉例來計算當可調電容變化時頻率的調節范圍，Ts 值為20ppm/pF，當Ctrim 偏離中間值3.4pF±3pF 時，CL 值分別變化了0.9pF和1.3pF，頻率變化分別為18ppm 和26ppm。

1.4 跨導放大器—激勵功率 晶體和負載是互為互導倒數的元件，意思是在晶體諧振時為一電感器件，和它的負載電容器件組成振蕩回路，BluecoreTM5芯片內的跨導放大器當電壓加在輸入端時，在輸出端將產生電流，從而激勵晶體振動。在晶體輸入端電平大約是1Vpp 時輸出端能得到2mA 的電流輸出，這個值可以通過設置鍵PSKEY-XTAL-LVL 進行設置，這時對一個等效阻抗為20ohm 的26Mhz 晶體的激勵功率約80uW。

1.5 負性阻抗 負性阻抗是振蕩電路穩定性的一個參數，為了保持振蕩，負性阻抗必須要比晶體的等效阻抗要大。測試電路的負性阻抗非常容易，串聯可變電阻把晶體的等效串聯電阻（ESR）提高5到10倍，振蕩器也應該持續工作。

1.6 小結 根據探討，據頻點及負載不同總結出藍牙芯片對晶體阻抗和Ts 要求，如表1所示。

表1

2 石英晶體振蕩器與藍牙芯片的配合

相對于晶體來說，晶振與藍牙芯片的配合使用就要簡單的多。

2.1 頻率設置與鍵設置 與晶體應用一樣，就不再介紹，對于CDMA/3G,以下頻點也適用于藍牙芯片7.68/14.4/15.36/16.2/16.8/19.2/19.44/19.68/19.8/38.4Mhz 等。

2.2 使用方法 將晶振的輸出接在芯片的Xin 端，把Xout 端接地即可，不需要外加任何器件，只有當晶振信號峰值低于Vss_ANA 或高于Vdd_ANA 時，需要加一個隔直通交的電容（約33pF）到Xin 端即可。

2.3 藍牙芯片對晶振的要求 頻率必須是250Khz 的整數倍；工作電壓1.8V；輸出方波或正弦波，MinVpp=400mV；室溫頻差±10ppm；溫度頻差±10ppm。

3 結語

在生產晶振時，供應商在電路中對晶體頻率進行了精細調整，這樣可以生產出與周邊電路相關因素無關的精度更高的振蕩器。

在體積方面，晶體加分立振蕩器組合和晶振兩種方案的長度和寬度都一樣，而根據所選擇的產品不同，后者只是在高度上增高了0.3mm 到0.4mm 而已。

雖然采用晶振應用時比較方便，并且也有利于生產廠家過程控制，但由于晶振的成本目前仍然遠遠高于晶體，所以用戶仍然偏重于選擇晶體加分立振蕩電路的方案。在這種情況下，筆者認為，晶體制造商需要重點解決兩個問題，第一是頻率的控制，建議采用濺射鍍膜和刻蝕的工藝進行生產，同時盡量采用金作為電極材料。第二是低頻時Ts 的控制，需要盡量保留晶片的平臺，以及提高晶片表面的光潔度，以獲得比較高的Ts 值。

[1]BC219159ARF-ds-001Pk BlueCore2-Flash Plug-n-Go Data Sheet AUG06.

[2]BC31A223A-ds-001Pp BlueCore3-Audio Flash Data Sheet.

[3]BC41B143A-ds-003Pd%20BlueCore4-ROM%20Plug-n-Go%20Product%20Data%20Sheet.

[4]BlueCore5-Multimedia External Issue 5.

[5]Todd S.Tignor (美)，Isotemp Research,Inc.