RENESAS RA MCU 系列 RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器用户指南

外部晶体谐振器可用作副时钟振荡器源。它应连接在 MCU 的 XCIN 和 XCOUT 引脚之间。副时钟振荡器的外部晶体谐振器的频率必须恰好为 32.768 kHz。具体请参考MCU硬件用户手册的电气特性部分。
对于大多数 RA 微控制器，也可以使用外部晶体谐振器作为主时钟源。在这种情况下，应将其连接到 MCU 的 EXTAL 和 XTAL 引脚。主时钟外部晶体谐振器的频率必须在主时钟振荡器指定的频率范围内。尽管本文档重点介绍副时钟振荡器，但此处提到的选择和设计指南也可以应用于使用外部晶体谐振器的主时钟源的设计。
选择晶体谐振器时，重要的是要考虑独特的电路板设计。有多种晶体谐振器可能适合与 RA MCU 设备一起使用。建议仔细评估所选晶体谐振器的电气特性，以确定具体的实施要求。
图 1 显示了一个典型的 examp图 2 显示了副时钟源的晶体谐振器连接，而图 XNUMX 显示了其等效电路。

负载电容选择
负载电容器的选择对于 RA MCU 器件的子时钟电路的正确运行至关重要。有关负载电容的具体细节和指南，请参阅 MCU 硬件用户手册的电气特性部分
选择。

常问问题

问：我可以使用任何晶体谐振器作为副时钟振荡器吗？
答：不可以，副时钟振荡器的外部晶体谐振器的频率必须恰好为 32.768 kHz。具体详情请参见MCU硬件用户手册的电气特性部分。
问：副时钟振荡器和主时钟振荡器可以使用相同的晶体谐振器吗？
答：是的，对于大多数 RA 微控制器，您可以使用外部晶体谐振器作为副时钟振荡器和主时钟振荡器。但请确保主时钟外部晶体谐振器的频率落在主时钟振荡器指定的频率范围内。

瑞萨 RA 系列

副时钟电路设计指南

介绍
副时钟振荡电路具有低增益以降低功耗。由于增益较低，存在噪声可能导致 MCU 误操作的风险。本文档介绍了如何在使用低容性负载 (CL) 谐振器时最大程度地降低这种风险。

目标设备
RA单片机系列

组件选择

组件选择对于确保 RA MCU 器件的子时钟电路正确运行至关重要。以下部分提供了帮助选择组件的指导。

外部晶体谐振器选择
外部晶体谐振器可以用作副时钟振荡器源。外部晶体谐振器连接在 MCU 的 XCIN 和 XCOUT 引脚之间。副时钟振荡器的外部晶体谐振器的频率必须恰好为 32.768 kHz。具体详情请参见MCU硬件用户手册的电气特性部分。
对于大多数 RA 微控制器，可以使用外部晶体谐振器作为主时钟源。外部晶体谐振器连接在 MCU 的 EXTAL 和 XTAL 引脚之间。主时钟外部晶体谐振器的频率必须在主时钟振荡器的频率范围内。本文档重点介绍副时钟振荡器，但这些选择和设计指南也适用于使用外部晶体谐振器的主时钟源的设计。
晶体谐振器的选择在很大程度上取决于每个独特的电路板设计。由于有多种晶体谐振器可供选择，可能适合与 RA MCU 器件一起使用，因此请仔细评估所选晶体谐振器的电气特性，以确定具体的实施要求。

图 1 显示了一个典型的 examp用于副时钟源的晶体谐振器连接。

图 2 显示了副时钟电路上晶体谐振器的等效电路。

图 3 显示了一个典型的 examp主时钟源的晶体谐振器连接。

图 4 显示了主时钟电路上晶体谐振器的等效电路。

选择晶体谐振器和相关电容器时必须仔细评估。外部反馈电阻（Rf）和damp如果晶体谐振器制造商建议，可以添加电阻器（Rd）。
CL1 和 CL2 电容值的选择将影响内部时钟的精度。要了解 CL1 和 CL2 值的影响，应使用上图中晶体谐振器的等效电路来模拟电路。为了获得更准确的结果，还需要考虑与晶体谐振器组件之间的布线相关的杂散电容。
某些晶体谐振器可能对 MCU 提供的最大电流有限制。如果提供给这些晶体谐振器的电流过高，晶体可能会损坏。广告amp可以添加电阻器（Rd）来限制流向晶体谐振器的电流。请咨询晶体谐振器制造商来确定该电阻的值。

负载电容选择
晶体谐振器制造商通常会为每个晶体谐振器提供负载电容 (CL) 额定值。为了使晶体谐振器电路正常工作，电路板设计必须与晶体的 CL 值相匹配。
有多种方法可以计算负载电容器 CL1 和 CL2 的正确值。这些计算考虑了电路板设计的负载电容器和杂散电容 (CS) 的值，其中包括铜迹线和 MCU 器件引脚的电容。
计算 CL 的一个方程是：作为前任amp例如，如果晶体制造商指定 CL = 14 pF，并且电路板设计的 CS 为 5 pF，则最终的 CL1 和 CL2 将为 18 pF。本文档第 2.4 节提供了一些经过验证的谐振器选择以及正确操作的相关电路常数的详细信息。
还有其他因素会影响晶体的性能。随着时间的推移，温度、组件老化和其他环境因素可能会改变晶体的性能，因此在每个具体设计中都应予以考虑。
为了确保正常运行，每个电路都应在预期的环境条件下进行测试，以保证正确的性能。

电路板设计

元件放置
晶体振荡器、负载电容器和可选电阻器的放置会对时钟电路的性能产生重大影响。
在本文档中，“元件面”是指 PCB 设计中与 MCU 相同的一面，“焊接面”是指 PCB 设计中与 MCU 相对的一面。
建议将晶体谐振器电路放置在尽可能靠近 PCB 组件侧 MCU 引脚的位置。负载电容和可选电阻也应放置在组件侧，并且应放置在晶体谐振器和 MCU 之间。另一种方法是将晶体谐振器放置在 MCU 引脚和负载电容器之间，但需要考虑额外的接地布线。
低CL晶体振荡器对温度波动敏感，这会影响副时钟电路的稳定性。为了减少温度对副时钟电路的影响，请将其他可能产生过多热量的元件远离晶振。如果铜区域用作其他组件的散热器，请使铜散热器远离晶体振荡器。

路由 – 最佳实践
本节介绍 RA MCU 器件的晶体谐振器电路正确布局的要点。

XCIN 和 XCOUT 路由
以下列表描述了 XCIN 和 XCOUT 的布线要点。图 5、图 6 和图 7 显示了示例ampXCIN 和 XCOUT 的首选跟踪路由文件。图 8 显示了替代 exampXCIN 和 XCOUT 的跟踪路由文件。图中的标识号指的是该列表。

不要将 XCIN 和 XCOUT 走线与其他信号走线交叉。
请勿将观察引脚或测试点添加到 XCIN 或 XCOUT 走线。
使 XCIN 和 XCOUT 走线宽度介于 0.1 mm 和 0.3 mm 之间。从 MCU 引脚到晶体谐振器引脚的走线长度应小于 10 mm。如果不可能达到 10 毫米，请使走线长度尽可能短。
连接到 XCIN 引脚的走线和连接到 XCOUT 引脚的走线之间应有尽可能大的空间（至少 0.3 mm）。
将外部电容器尽可能靠近地连接。将电容器的走线连接到组件侧的接地走线（以下简称“接地屏蔽”）。有关接地屏蔽的详细信息，请参阅第 2.2.2 节。当无法使用首选布局来放置电容器时，请使用图 8 中所示的布局。
为了减少 XCIN 和 XCOUT 之间的寄生电容，请在谐振器和 MCU 之间添加接地走线。

图 5. 前ampXCIN 和 XCOUT、LQFP 封装的首选布局和布线文件

图 6. 前ampXCIN 和 XCOUT、LGA 封装的首选布局和布线文件

图 7. 前ampXCIN 和 XCOUT、BGA 封装的首选布局和布线文件

图 8. 前ampXCIN 和 XCOUT 的备用布局和布线文件

接地屏蔽
用接地迹线屏蔽晶体谐振器。下面的列表描述了有关接地屏蔽的要点。图 9、图 10 和图 11 显示了路由扩展amp每个包的文件。每幅图中的标识号均指此列表。

将接地屏蔽布置在与晶体谐振器走线布线相同的层上。
使接地屏蔽走线宽度至少为 0.3 mm，并在接地屏蔽和其他走线之间留出 0.3 至 2.0 mm 的间隙。
将接地屏蔽布线尽可能靠近 MCU 上的 VSS 引脚，并确保走线宽度至少为 0.3 mm。
为了防止电流通过接地屏蔽，请将接地屏蔽和电路板上的接地靠近电路板上的 VSS 引脚进行分支。

图 9. 跟踪 Examp接地屏蔽、LQFP 封装的文件

图 10. 跟踪 Examp用于接地屏蔽、LGA 封装的文件

图 11. 跟踪 Examp接地屏蔽、BGA 封装的文件

底部地面

厚度至少为 1.2 毫米的多层板
对于厚度至少为 1.2 mm 的电路板，在晶体谐振器区域的焊接侧（以下称为底部接地）布置接地迹线。
下面列出了制作厚度至少为 1.2 毫米的多层板时的要点。图 12、图 13 和图 14 显示了路由扩展amp每种包类型的文件。每幅图中的标识号均指此列表。

不要在晶体谐振器区域的中间层布置任何走线。请勿在此区域布置电源或接地走线。请勿让信号走线穿过该区域。
使底部接地至少比接地屏蔽大 0.1 毫米。
在将其连接到 VSS 引脚之前，仅将焊接侧的底部接地连接到组件侧的接地屏蔽。

其他说明

对于 LQFP 和 TFLGA 封装，仅将接地屏蔽连接到电路板组件侧的底部接地。通过接地屏蔽将底部接地连接到 VSS 引脚。请勿将底部接地或接地屏蔽连接至 VSS 引脚以外的接地。
对于 LFBGA 封装，将底部接地直接连接到 VSS 引脚。请勿将底部接地或接地屏蔽连接至 VSS 引脚以外的接地。

图 12. 路由扩展amp当多层板厚度至少为 1.2 mm 时，LQFP 封装

图 13. 路由扩展amp当多层板厚度至少为 1.2 mm 时，LGA 封装

图 14. 路由扩展amp当多层板厚度至少为 1.2 mm 时，BGA 封装

厚度小于 1.2 毫米的多层板
下面介绍制作厚度小于1.2mm的多层板时的要点。图 15 显示了一个路由扩展amp勒。

不要在晶体谐振器区域的元件侧以外的层上布置任何走线。请勿在此区域布置电源和接地走线。请勿让信号走线穿过该区域。

图 15. 路由扩展amp当多层板厚度小于 1.2 mm 时，LQFP 封装

其他要点
下面的列表描述了其他需要考虑的点，图 16 显示了一个路由扩展amp使用 LQFP 封装时的文件。同样的要点适用于任何封装类型。图中的识别号指的是该列表。

不要将 XCIN 和 XCOUT 走线放置在电流变化较大的走线附近。
请勿将 XCIN 和 XCOUT 走线与其他信号走线（例如相邻引脚的信号走线）平行布线。
与 XCIN 和 XCOUT 引脚相邻的引脚走线应远离 XCIN 和 XCOUT 引脚。首先将走线布线至 MCU 中心，然后将走线布线远离 XCIN 和 XCOUT 引脚。建议这样做以避免与 XCIN 和 XCOUT 走线平行的走线布线。
将尽可能多的接地走线布置在 MCU 的底部。

图 16. 路由扩展amp其他点，LQFP 封装 Example

主时钟谐振器
本节介绍主时钟谐振器的布线要点。图 17 显示了一个路由扩展amp勒。

用地线屏蔽主时钟谐振器。
请勿将主时钟谐振器的接地屏蔽连接到副时钟的接地屏蔽。如果主时钟接地屏蔽直接连接到子时钟接地屏蔽，则来自主时钟谐振器的噪声可能会传输并影响子时钟。
在放置和布线主时钟谐振器时，请遵循与副时钟振荡器相同的指导原则。

图 17. 路由扩展amp使用接地屏蔽屏蔽主时钟谐振器时

路由——要避免的错误
在对副时钟电路进行布线时，请小心避免以下几点。存在任何这些问题的布线都可能导致低 CL 谐振器无法正确振荡。图 18 显示了一个路由扩展amp文件并指出路由错误。图中的识别号指的是该列表。

XCIN 和 XCOUT 走线与其他信号走线交叉。（误操作的风险。）
观察引脚（测试点）连接到 XCIN 和 XCOUT。（振荡停止的风险。）
XCIN 和 XCOUT 线很长。（存在误操作或精度下降的风险。）
接地屏蔽并未覆盖整个区域，并且在有接地屏蔽的地方，走线又长又窄。（容易受噪声影响，并且存在因 MCU 和外部电容器产生的接地电位差而导致精度下降的风险。）
除 VSS 引脚外，接地屏蔽还有多个 VSS 连接。（流经接地屏蔽层的 MCU 电流可能导致误操作。）
电源或接地走线位于 XCIN 和 XCOUT 走线下方。（有失去时钟或振荡停止的风险。）
附近走有大电流走线。（误操作的风险。）
相邻引脚的平行走线又近又长。（有失去时钟或振荡停止的风险。）
中间层用于路由。（振荡特性下降或信号误动作的风险。）

图 18. 路由扩展amp由于噪音而导致误操作的风险较高

参考振荡电路常数和验证的谐振器操作
表 1 列出了经过验证的晶体谐振器操作的参考振荡电路常数。本文档开头的图 1 显示了一个 examp用于验证谐振器操作的电路。

表 1. 经验证的谐振器操作的参考振荡电路常数

制造商	系列	SMD/ 引线	频率（kHz）	CL （皮法拉）	CL1（皮法拉）	CL2（皮法拉）	Rd（千欧姆）
京瓷	ST3215S 型号	贴片	32.768	12.5	22	22	0
				9	15	15	0
				6	9	9	0
				7	10	10	0
				4	1.8	1.8	0

请注意，Kyocera 上并未列出所有 RA MCU 设备 web对于大多数 RA MCU 器件，未列出站点和子时钟振荡器建议。此表中的数据包括针对其他类似瑞萨 MCU 器件的建议。

此处列出的经过验证的谐振器操作和参考振荡电路常数基于谐振器制造商提供的信息，并且不提供保证。由于参考振荡电路常数是制造商在固定条件下测量的测量值，因此用户系统中测量的值可能会有所不同。为了获得在实际用户系统中使用的最佳参考振荡电路常数，请咨询谐振器制造商以对实际电路进行评估。
图中的条件是连接到MCU的谐振器振荡的条件，而不是MCU本身的工作条件。有关 MCU 工作条件的详细信息，请参阅电气特性中的规格。

时钟晶体精度测量

根据时钟晶体制造商和瑞萨电子的建议（在每个 MCU 硬件用户手册中），时钟晶体电路的正确实现包括 2 个负载电容器（图中的 CL1 和 CL2）。本文档前面的部分介绍了电容器的选择。这些电容直接影响时钟频率的精度。负载电容器值过高或过低都会对时钟的长期精度产生重大影响，从而降低时钟的可靠性。这些电容器的值由晶体器件规格和电路板布局的组合决定，同时考虑到 PCB 的杂散电容和时钟路径中的组件。
然而，为了正确确定时钟电路的精度，必须在真实硬件上测量时钟频率。直接测量时钟电路几乎肯定会导致测量结果不正确。负载电容器的典型值在 5 pF 至 30 pF 范围内，典型示波器探头电容值通常在 5 pF 至 15 pF 范围内。与负载电容器值相比，探头的附加电容非常大，并且会使测量结果出现偏差，从而导致错误的结果。对于非常高精度的探头来说，最低电容值示波器探头的电容值仍然在 1.5 pF 左右，这仍然可能会导致测量结果出现偏差。
以下是测量 MCU 板产品时钟频率精度的建议方法。此过程消除了由于测量探头添加的电容负载而导致的潜在测量误差。

推荐的测试程序
Renesas RA 微控制器至少包含一个 CLKOUT 引脚。为了消除时钟晶体信号上探头的电容负载，可以对微控制器进行编程，将时钟晶体输入传递到 CLKOUT 引脚。要测试的 MCU 板必须包含访问该引脚以进行测量的措施。

必需组件

待测设备的一块或多块MCU板。
用于待测设备的编程和仿真工具。
具有至少 6 位精度且经过适当校准的频率计数器。

测试方法

对 MCU 进行编程，将副时钟电路的时钟晶振输入连接到 MCU 的 CLKOUT 引脚。
将频率计数器连接到 MCU 的 CLKOUT 引脚和适当的接地。请勿将频率计数器直接连接到时钟晶体电路。
配置频率计数器来测量 CLKOUT 引脚上的频率。
让频率计数器测量频率几分钟。记录测量的频率。

该过程可用于副时钟和主时钟晶体振荡器。为了了解负载电容器值对时钟晶体精度的影响，可以使用不同的负载电容器值重复测试。选择为每个时钟提供最准确时钟频率的值。
还建议在同一类型的多块板上重复该过程，以提高测量的有效性。

频率精度计算
频率精度可以使用以下公式计算。

fm = 测量频率
fs = 理想信号频率
fe = 频率误差
fa = 频率精度，通常以十亿分之一 (ppb) 表示

频率误差可表示为

频率精度可表示为 频率精度也可以用与实际时间的偏差来表示。偏差，以每年的秒数为单位，可以表示为

Web网站和支持
请访问以下 URL了解 RA 系列的关键要素、下载组件和相关文档并获得支持。

RA 产品信息 www.renesas.com/ra
RA 产品支持论坛 www.renesas.com/ra/forum
RA 灵活软件包 www.renesas.com/FSP
瑞萨支持 www.renesas.com/support

修订历史

牧师	日期	描述
牧师	日期	页	概括
1.00	07.22年XNUMX月XNUMX日	—	初始版本
2.00	01.23年XNUMX月XNUMX日	18	添加了第 3 节，时钟晶体精度测量

注意

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  电子设备；机械工具; 个人电子设备；工业机器人； ETC。
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(注1) 本文件中使用的“瑞萨电子”是指瑞萨电子公司，还包括其直接或间接控制的子公司。
(注2) “瑞萨电子产品”是指由瑞萨电子开发或制造或为瑞萨电子开发或制造的任何产品。

(Rev.5.0-1 年 2020 月 XNUMX 日)

公司总部

TOYOSU FORESIA, 3-2-24 丰洲,
日本东京江东区 135-0061
www.renesas.com

商标
Renesas 和 Renesas 徽标是瑞萨电子株式会社的商标。所有商标和注册商标均归其各自所有者所有。

联系信息
有关产品、技术、文档的最新版本或离您最近的销售办事处的更多信息，请访问： www.renesas.com/contact/.

文件/资源

RENESAS RA MCU 系列 RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器 [pdf] 用户指南
RA MCU 系列 RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器、RA MCU 系列、RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器、Cortex-M85 微控制器、微控制器

参考

用户手册

RENESAS RA MCU 系列 RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器

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副时钟电路设计指南

组件选择

电路板设计

时钟晶体精度测量

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