蓝牙设备通过 2.4GHz 频率范围内的短距离无线电传输进行通信。
2.4 GHz 频率范围提供了许多通道,蓝牙设备可以利用这些通道进行通信,配对设备在这些通道之间同步跳转,不断寻求最小的干扰和最佳的信号质量,这些技术需求都需要一个精准的时钟系统。
在创建蓝牙电路设计时,工程师需要考虑时钟抖动、信号噪声和信号传播延迟等变量。
在晶振选型时,绝大多数蓝牙电路设计都采用32 MHz无源晶振,因为它具有出色的容差和稳定性。但是,还有其他蓝牙设计使用16 MHz、24 MHz、26 MHz、38.4 MHz和40 MHz等。
在无源晶振选型时,请注意频率精度、稳定度及负载电容CL等相关重要指标。上电后,要实测晶振实际输出频率是否满足设计要求,另外,有必要的话,还需要进行温测验证,以保证在整个温度范围内可以正常工作。
晶振,根据频点、频差、负载、有源无源、封装、尺寸等多项参数的差异,可以分为成千上万种,的确令人眼花缭乱。
那么,在晶振选型方面,我们首先需要注意什么呢?
第一点:晶振的频率(Frequency)
如果PCBA上的芯片设计方案已经确定,则必须选择与之相配的频率晶振,否则我们就需要修改我们MCU 的 PLL,重新调整系统频率。
第二点:负载电容(CL)
对于无源晶振,我们要根据芯片方案所需晶振负载参数,选择对应负载电容参数的晶振。若负载电容选择错误,会导致晶振输出频率严重偏移目标频率,容易造成系统开机不良,在蓝牙系统中,表现的现象为链接不稳定甚至无法链接。
这个频偏在测试认证中也是被关注的点,无论是 FCC 还是国内的无线电委员会认证都会对蓝牙的频偏做检测。
第三点:频差范围(Frequency Tolerance)
确认电子产品对晶振输出频率精度的要求。晶振的频差范围一般在±10PPM~±30PPM。
在蓝牙和 Wi-Fi 的应用重,对晶振频率有高要求,建议选择±10PPM及以上晶振产品。
第四点:晶振的老化
晶振的年老化率主要起因于晶片表面附着物的脱落、研磨过程对晶片造成的应力、上架和镀膜过程形成的支架与晶片及电极膜与晶片间的应力变化、晶体表面吸附的气体以及由于漏气造成的电极膜表面的改变等。因此,脱落对质量较小的晶片会有很大的影响,同样的应力变化对薄片的影响要比厚片的影响大得多,这就是频率越高老化越大的根本原因。
第五点:抗电磁干扰性( Anti-EMI)
若电路板上杂散信号过多,无源晶振的频率稳定性会受到不同程度的非规律性的干扰。为了避免造成电子产品系统紊乱,建议选择有源晶振。
第六点:对温度的需求(Temperature)
一般晶振的温度工作范围为:-20℃~+70℃,若电子产品需要容忍更加大程度的温度变化,建议选择温度范围为-40℃~+85℃的宽温晶振,或专门定制温度范围更宽的晶振产品。
温度变化范围超出晶振容忍范围,晶振工作时容易发生频率偏移导致不起振现象,造成电子产品无法正常工作。
第七点:对体积及尺寸有要求(Size)
一般情况下,晶振体积越大,功耗也会越大。
如果电子产品对晶振体积没有要求,则可以选择49S、49SMD系列晶振,该类晶振的特点是体积大,价格相对低,常用在如电脑主板,电视机、电话机等电子产品上。
另外,关于圆柱体晶振,鉴于在性价比方面日渐下降,该类产品已经呈现快速退出应用市场的趋势,设计中最好不要选用了。
第八点:晶振输出模式(Frequency Output Mode)
在选用晶振时,要考虑到电路需要的晶振输出类型,一般分电平输出和差分输出两种类型。
电平输出:CMOS是最常用的一种输出类型,而差分输出:LVPECL和LVDS则属于常见的差分输出类型。不同的输出类型之间可不随便变换,特别是差分晶振与普通晶振。
第九点:对功耗的需求 (Low-power Consumption)
如果晶振应用在对低功耗有较高要求的电子产品,比如需要通过电池作为电源的智能穿戴,蓝牙耳机、手机等,建议选择小体积、低功耗且精度较高的晶振。