石英晶体与蓝牙技术的配合方案

摘要：无线系统对晶体的要求很高，本文以蓝牙芯片为例探讨石英晶体在开发与应用时的设计方法，以获得最适宜的匹配方案。

Abstract： Wireless system has a high demand on crystals. Taking tooth chip as an example， this paper discusses about the design methods of the development and application of quartz crystals in order to gain the best matching scheme.

关键词： 石英晶体谐振器;晶体振荡器;蓝牙芯片;匹配

Key words： quartz crystal resonator;crystal oscillator;the Bluetooth chip;matching

中图分类号：TP23                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2014）36-0087-02

0  引言

目前的石英晶体为微控制器、通信设备、精密仪器提供相同的频率控制功能。而在蓝牙技术中应用也非常广泛，如蓝牙耳机/手机/PDA/多媒体/电脑等，根据最终应用不同，在决定采用什么样的频率源时，通常有三个主要因素需要考虑：对于无线系统设计来说，超高精度的频率源是非常关键的;此外，对于便携式设备和PCMCIA卡来说，尺寸和成本也非常重要。

当设计新的无线系统时，首先要做的决策之一就是到底采用石英晶体谐振器（以下简称晶体）加独立振荡器电路的方式，还是直接选用封装好的晶体振荡器（以下简称晶振）。设计人员都希望利用便宜的晶体再配合自己设计的振荡电路来降低成本。

本篇文章笔者将以蓝牙耳机中主流芯片BluecoreTM 5为例来讨论。该芯片由全球领先的蓝牙连接及无线技术提供商CSR公司（英国剑桥无线电子）生产，下面就芯片电路特性及石英晶体的匹配使用展开介绍。

1  石英晶体谐振器与蓝牙芯片的配合

BluecoreTM 5芯片频率范围从8Mhz～52Mhz，通过软件设置可以设不同的工作频率点，但必须是250Khz的整数倍，内部使用的默认频点是26Mhz。在设计时蓝牙芯片设定当时钟请求命令发出后，延时11ms后无线发射系统才会被激活，因此在这一点时钟的精度要在20ppm以内。

1.1 电路原理  芯片中包含一个晶体驱动电路，外接晶体和电容器后组成一个皮尔斯振荡器，晶体连在芯片的Xin和Xout端，谐振频率可以通过C1和C2进行调整，芯片内部还包含了一个可调电容进行微调，驱动电路是一个跨导放大器，当电压加在输入端时，在输出端将产生电流，从而激励晶体振动。

1.2 负载电容的匹配  为了谐振在晶体的标称频率上必须用晶体规格的负载电容，它的定义是从晶体两端看进去的所有电容之和。芯片内部有一个可调电容Ctrim和它本身电容Cint，还有外接电容C1和C2及电路设计时杂散电容Cs，为了获得最好的相噪，C1取值时应当是C2值的3倍，在这种匹配下信号在输入端可获得最快的回转速度和摆动的最大值。

晶体的负载用式（1）计算：

CL=Cint+C0+Cs+（C1*（C2+Ctrim））/（C2+Ctrim+C1）（1）

式中：Ctrim=3.4pF（默认中间值），Cint=1.5pF，C0值是晶体静电容，根据晶体生产厂家工艺不一致而不同，但该值应该大于1pF，Cs一般为1～3pF根据设计布线板材而不同，这也是负载最不确定的一项。

笔者以南京中电熊猫晶体科技有限公司（简称南京中电）26Mhz3225晶体来举例估算式1中CL值，C0为1pF，Cs取2pF，C1取10pF，C2取3.3pF则上式CL值为8.5pF，当然这只是理论值，实际电路的CL值仍需要生产厂家来匹配测试。

1.3 频率调整  蓝牙芯片能够进行频率调整，这是该芯片的典型特征，频率调谐是通过内部的可调电容来校正晶体的负载来完成的，Ctrim的值通过一个6位字节的键来设置（PSKEY-ANA-FTRIM）。

它的值由式（2）来计算：

Ctrim=110fF*PSKEY-ANA-FTRIM（2）

可调电容Ctrim连在晶体的输入端和地之间，从晶体终端看进去，外接电容和它呈现一个总的负载，Ctrim的值每步变化最小是55fF。

频率微调用下式（3）来计算：

△F/F=Ts*0.110*C1/（C1+C2+Ctrim）（3）

式（3）中F是晶体频率，Ts是晶体的一个参数——微调灵敏度（trim sensitivity），单位是ppm/pF，就是说当负载每变化1pF时频率的变化值，蓝牙芯片要求该值大于20ppm。仍以南京中电26Mhz3225晶体来举例来计算当可调电容变化时频率的调节范围，Ts值为20ppm/pF，当Ctrim偏离中间值3.4pF±3pF时，CL值分别变化了0.9pF和1.3pF，频率变化分别为18ppm和26ppm。

1.4 跨导放大器—激励功率  晶体和负载是互为互导倒数的元件，意思是在晶体谐振时为一电感器件，和它的负载电容器件组成振荡回路，BluecoreTM 5芯片内的跨导放大器当电压加在输入端时，在输出端将产生电流，从而激励晶体振动。在晶体输入端电平大约是1Vpp时输出端能得到2mA的电流输出，这个值可以通过设置键PSKEY-XTAL-LVL进行设置，这时对一个等效阻抗为20ohm的26Mhz晶体的激励功率约80uW。

1.5 负性阻抗  负性阻抗是振荡电路稳定性的一个参数，为了保持振荡，负性阻抗必须要比晶体的等效阻抗要大。测试电路的负性阻抗非常容易，串联可变电阻把晶体的等效串联电阻（ESR）提高5到10倍，振荡器也应该持续工作。

1.6 小结  根据探讨，据频点及负载不同总结出蓝牙芯片对晶体阻抗和Ts要求，如表1所示。

2  石英晶体振荡器与蓝牙芯片的配合

相对于晶体来说，晶振与蓝牙芯片的配合使用就要简单的多。

2.1 频率设置与键设置  与晶体应用一样，就不再介绍，对于CDMA/3G，以下频点也适用于蓝牙芯片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  将晶振的输出接在芯片的Xin端，把Xout端接地即可，不需要外加任何器件，只有当晶振信号峰值低于Vss_ANA或高于Vdd_ANA时，需要加一个隔直通交的电容（约33pF）到Xin端即可。

2.3 蓝牙芯片对晶振的要求  频率必须是250Khz的整数倍;工作电压1.8V;输出方波或正弦波，MinVpp=400mV;室温频差±10ppm;温度频差±10ppm。

3  结语

在生产晶振时，供应商在电路中对晶体频率进行了精细调整，这样可以生产出与周边电路相关因素无关的精度更高的振荡器。

在体积方面，晶体加分立振荡器组合和晶振两种方案的长度和宽度都一样，而根据所选择的产品不同，后者只是在高度上增高了0.3mm到0.4mm而已。

虽然采用晶振应用时比较方便，并且也有利于生产厂家过程控制，但由于晶振的成本目前仍然远远高于晶体，所以用户仍然偏重于选择晶体加分立振荡电路的方案。在这种情况下，笔者认为，晶体制造商需要重点解决两个问题，第一是频率的控制，建议采用溅射镀膜和刻蚀的工艺进行生产，同时尽量采用金作为电极材料。第二是低频时Ts的控制，需要尽量保留晶片的平台，以及提高晶片表面的光洁度，以获得比较高的Ts值。

参考文献：

[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.