晶體振蕩器通常是設(shè)計(jì)師考慮的最后一個(gè)組件之一,但錯(cuò)誤的部件可能很快就會(huì)破壞設(shè)計(jì).此外,搜索各種可用的振蕩器及其功能可能會(huì)令人困惑.選擇振蕩器時(shí),您應(yīng)該問自己有四個(gè)關(guān)鍵問題.您找到的答案將有助于確保滿足您的設(shè)計(jì)要求.
你需要水晶還是振蕩器？
雖然它們可能看起來相同并且共享許多規(guī)格,但晶體和石英晶體振蕩器是非常不同的設(shè)備.封裝的晶體是一塊石英,切割和拋光,以特定頻率共振,具有高Q值.它不包含驅(qū)動(dòng)石英產(chǎn)生時(shí)鐘輸出的振蕩器電路.相反,驅(qū)動(dòng)電路位于晶體所連接的設(shè)備內(nèi)部.相比之下,晶體振蕩器或XO是一個(gè)完整的器件,包含石英晶體,振蕩器電路,輸出驅(qū)動(dòng)器和潛在的鎖相環(huán)(PLL).XO以指定的頻率和信號(hào)格式提供時(shí)鐘輸出,例如CMOS,LVDS和LVPECL.振蕩器(圖1)可以直接驅(qū)動(dòng)芯片或通過緩沖器饋送,以提供特定頻率的多個(gè)副本.

圖1:振蕩器是一個(gè)完整的單輸出時(shí)鐘發(fā)生器.

大多數(shù)消費(fèi)類和電池供電的應(yīng)用都使用帶有集成振蕩器電路的片上系統(tǒng)(SoC)器件和用于時(shí)鐘合成的簡單,低成本晶體.對于更高端的應(yīng)用-數(shù)據(jù)中心,電信,工業(yè)自動(dòng)化等-外部XO通常用于為SoC的內(nèi)部PLL提供參考時(shí)序.使用片外時(shí)鐘源是有利的,因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)獨(dú)立的隔離參考時(shí)鐘,該時(shí)鐘被優(yōu)化以提供低抖動(dòng)操作和最小的串?dāng)_.另一個(gè)值得注意的好處是有源晶振集成了電源噪聲抑制功能,可最大限度地降低板級(jí)噪聲對時(shí)鐘抖動(dòng)的影響.
需要什么抖動(dòng)性能?
定時(shí)抖動(dòng)是一種測量時(shí)鐘信號(hào)純度的方法.抖動(dòng)越低,噪聲越小.由于振蕩器通常用作系統(tǒng)的本地“心跳”,因此需要干凈且低抖動(dòng)的輸出.抖動(dòng)在示波器的時(shí)域中測量-例如,周期抖動(dòng)和周期間抖動(dòng)-或在相位噪聲分析儀的頻域中測量,RMS相位抖動(dòng)在頻帶上集成,例如12kHz到20MHz,如圖2所示.

圖2:XO相位噪聲查找工具.

具有<250fs-RMS的低相位抖動(dòng)XO在高性能應(yīng)用中至關(guān)重要,因?yàn)楦咚降臅r(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致無法接受的高誤碼率(BER),流量丟失或系統(tǒng)通信丟失.因此,如果有疑問,從低抖動(dòng)時(shí)鐘源開始提供更多的抖動(dòng)裕度總是更安全.在理想情況下,由振蕩器驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用或芯片組將提供最大允許抖動(dòng)規(guī)范以及伴隨的積分頻帶,相位噪聲掩模和雜散要求.在這種情況下,主要考慮的是振蕩器需要多少抖動(dòng)余量,以允許來自緩沖器或定時(shí)路徑中更下游的其他芯片的任何附加抖動(dòng).
另一個(gè)考慮因素是某些XO數(shù)據(jù)表僅宣告“典型”抖動(dòng)規(guī)范.它不能保證器件在過程,電壓,溫度和頻率變化方面的性能.然而,硬件設(shè)計(jì)人員不會(huì)對系統(tǒng)的所有關(guān)鍵組件提供全面的抖動(dòng)要求.在這種情況下,參考設(shè)計(jì)很有用,因?yàn)樵O(shè)計(jì)的振蕩器已經(jīng)過審查.與供應(yīng)商合作可能也會(huì)有所幫助,該供應(yīng)商提供具有不同抖動(dòng)和成本選項(xiàng)的各種SPXO晶體振蕩器以及幫助您確定最佳匹配度的在線工具.同樣,如果有疑問,從低抖動(dòng)振蕩器開始,然后評(píng)估寬松抖動(dòng)選項(xiàng)作為降低成本的潛在未來路徑總是更安全.
你的頻率會(huì)改變嗎？
許多振蕩器應(yīng)用僅需要單個(gè)固定頻率,如156.25MHz.在其他情況下,振蕩器提供的頻率可能需要改變.例如,12G-SDI視頻成幀器可能需要在297MHz和297/1.001MHz的兩個(gè)不同視頻幀速率之間切換.在其他時(shí)候,可能需要有意添加一個(gè)小的頻率偏差作為保證金測試的一部分,以對系統(tǒng)級(jí)設(shè)置和保持時(shí)間進(jìn)行壓力測試.也許最常見的是,設(shè)計(jì)人員可能還不知道最終設(shè)計(jì)將使用的確切頻率,但他們知道他們需要振蕩器來提供此參考.
對于此類應(yīng)用,理想的解決方案是提供多個(gè)預(yù)存頻率的振蕩器.雙和四振蕩器可用于這些應(yīng)用.這些器件的輸出頻率可通過引腳選擇,使單個(gè)XO可以替換多個(gè)振蕩器和多路復(fù)用器.如果應(yīng)用需要混合整數(shù)和小數(shù)時(shí)鐘,請選擇能夠在所有目標(biāo)頻率上提供始終如一的低抖動(dòng)操作的設(shè)備.
另一種有用的振蕩器是I2C可編程晶振.這些器件具有最大的頻率靈活性,可在寬頻率范圍內(nèi)提供一致的低抖動(dòng)操作.這些設(shè)備可以在運(yùn)行中重新編程,以提供幾乎無限數(shù)量的頻率.它們對于原型設(shè)計(jì)和在數(shù)字PLL架構(gòu)中的使用也非常有用,其中主處理器提供快速數(shù)字反饋機(jī)制以允許XO鎖定和跟蹤參考信號(hào).
頻率穩(wěn)定性有多重要？
頻率穩(wěn)定性衡量振蕩器輸出頻率在運(yùn)行期間由于溫度變化可能發(fā)生的變化.如果頻率漂移超出應(yīng)用程序預(yù)期,則可能發(fā)生定時(shí)錯(cuò)誤.頻率穩(wěn)定性以相對于特定溫度范圍內(nèi)的標(biāo)稱頻率的百萬分率或ppm表示.振蕩器使用在制造期間以不同角度切割的石英晶體以產(chǎn)生不同的溫度響應(yīng).常見的XO溫度穩(wěn)定性
額定值包括±20ppm,±50ppm和±100ppm.較低的ppm意味著輸出頻率在給定的溫度范圍內(nèi)更穩(wěn)定.值得注意的是,頻率穩(wěn)定性只是知道普通有源晶振頻率可能變化多少的一個(gè)方面.對潛在頻率偏差的完整測量稱為總穩(wěn)定性,它是溫度下的頻率穩(wěn)定性,25°C時(shí)的初始精度和指定時(shí)間和溫度下的老化之和.總穩(wěn)定性,如圖3所示,揭示了振蕩器在其工作壽命期間可能產(chǎn)生的最壞情況可能的頻率.

圖3:總穩(wěn)定性的組成部分.

OSC晶振可能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有出色的頻率穩(wěn)定性,但這種測量僅與其在室溫下提供的標(biāo)稱頻率有關(guān).因此,對于某些器件,例如SAW振蕩器,初始精度誤差可能非常大,必須予以考慮.類似地,石英晶體在很長一段時(shí)間內(nèi)緩慢老化,這導(dǎo)致輸出頻率緩慢漂移.一些振蕩器供應(yīng)商規(guī)定在25°C下老化僅一年,而更保守的供應(yīng)商在較高溫度下指定老化10年,為長期運(yùn)行提供更可靠的保證.老化條件可以使振蕩器的總穩(wěn)定性產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性差異,并且有時(shí)可能難以進(jìn)行蘋果對蘋果的比較.如有疑問,在更嚴(yán)格的條件下使用保證規(guī)格的定時(shí)裝置更安全,以提供更多的設(shè)計(jì)余量.

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