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振荡器的基本结构由两个元件组成——放大器和频率选择性网络

有两种方法可以为系统计时：使用完全集成的进口晶体振荡器，或者匹配晶体直接使用片上振荡器。使用XO往往会增加功耗和系统成本。通过将石英晶体与MCU内部的嵌入式皮尔斯振荡电路相匹配，系统降低了功耗和成本。大多数嵌入式振荡器电路都使用Pierce振荡器，该配置包括作为反相增益元件的简单反相放大器在循环内。
在大多数情况下，放大器单元在MCU内部，频率选择网络在外部至MCU。外部网络中的关键部件是石英晶体。关联的循环还使用电容器和串联（限流）电阻器（Rs）。

这种方法中使用的石英晶体被称为平行电镀晶体，其标准值如下如10pF、12pF、18pF等。这意味着最终振荡频率将在
当闭环有效电容恰好等于石英时的独立石英晶体电镀电容.

作为一个反馈系统，振荡器需要广泛的分析和全面的理解电路板和布局寄生，以优化环路并确保在所有条件下运行。
设计师经常通过试错来优化石英晶体振荡器的性能，从而节省时间对元器件和电路板进行了分析和建模。上市时间和日程安排紧张约束导致了更多的试错，而不是自下而上的分析。结果不是最佳的晶体和皮尔斯振荡器之间的耦合。美国艾博康进口晶体振荡器数据手册.
最佳耦合保证了晶体既不会被过度驱动，也不会被驱动不足。超速驾驶晶体，尤其是在当今的低功率品种中，会导致应力断裂和整体可靠性操作过程中的问题。驱动不足可能导致启动失败或振荡。此外，还存在频率精度问题。带有皮尔斯振荡器的MCU提供可配置的跨导，还可以优化最低功耗。不小心分析和验证，通过试验和错误的设计都可能导致这些问题中的任何一个。

其中，Cin和Cout分别是放大器的输入/输出结电容晶体看到的闭环电容（Ceff）可以定义为：

挑战在于，大多数MCU数据表并没有明确列出Cin和Cout；即使它们在最终振荡频率中起着关键作用。电流限制电阻器很少接合，因为大多数MCU嵌入式振荡器环路不会出现过度驱动到水晶。
晶体所看到的驱动电平可以近似作为：
DL=ESR × IQ^2

哪里
ESR=晶体的等效串联电阻
IQ=流过晶体的电流，单位为RMS

需要注意的是，用更高的驱动力驱动石英晶体可能会导致石英坯料加热、激发不需要的模式或杂散、频率偏移、老化等。在不需要的情况下模式和杂散，最终结果很可能是相位噪声和抖动在振荡器输出。
添加限流电阻器是减少不必要影响的最简单方法。总之电阻器和放大器输出侧的振荡器环路电容器的电抗阻抗，创建一个分压器。这种现象会缩放通过晶体的信号电平。要确定晶体中的驱动电平（DL），通过晶体的RMS电流（IQ）必须为使用电流探针测量。

电流探针连接到示波器，并测量Vp-p信号。然后，使用根据以下关系，可以估计DL。

对于正确的振荡器环路操作，DL必须不超过指定的最大值石英晶体制造商的数值，通常为100µW。持续超过此值
可能导致加速老化、频率漂移、由于激励不需要的音调而产生的EMI问题、模式或毛刺等。
增益裕度（GM），也称为振荡器电路的安全系数（SF），量化振荡器在所有操作条件下启动和维持振荡的能力ESR、放大器跨导、温度、偏置等关键参数的变化。
GM可以量化为:

可能影响振荡器电路安全系数的物理条件包括部分到部分以及大规模生产中晶体ESR的批量变化和振荡放大器的变化
跨导，特别是在扩展的工作温度范围内。
嵌入MCU振荡器环路内的AGC电路的存在显著限制了通过改变晶体的电镀负载来操纵通过晶体的驱动电平的能力和/或
外部环路电容器。
为了量化真正的闭环增益裕度，需要将可变电阻器与晶体，并进行调整，直到振荡停止。然后，该电阻值除以ESR以达到闭环增益裕度。振荡裕度或安全系数（SF），行业采用的目标如下：
尽管在典型的时序要求中商品水晶的实现在乍一看，需要采取具体的规定来确保一个考虑到现实世界的稳健设计石英晶体和嵌入式振荡器环路的关键性能参数的变化。