電路設計選擇晶振時(shí)需要考慮的五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

唐輝電子92

設計中，大多數電子系統需要某種振蕩器作為其關(guān)鍵功能塊。 一些典型的用途包括：用于同步操作的數字系統中的時(shí)鐘;用于接收器或發(fā)射器的穩定RF信號;用于精確測量的精確頻率參考;或用于精確計時(shí)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。系統規范以及要求振蕩器所起的作用將決定晶振的大多數參數。

任何振蕩器中的關(guān)鍵部件都是諧振器，它將控制頻率并確定可以實(shí)現哪種水平的穩定性。

盡管采用LC或RC諧振器實(shí)現的簡(jiǎn)單振蕩器可滿(mǎn)足一些應用的要求，但是添加石英晶體將可大幅地將器件的頻率穩定性提高好幾個(gè)數量級，且通常所需的成本很小。

1、輸出頻率

任何振蕩器最基本的屬性都是它生成的頻率。根據定義，振蕩器是接受輸入電壓(通常為直流電壓)并在某一頻率下產(chǎn)生重復交流輸出的器件。所需的頻率由系統類(lèi)型和如何使用該振蕩器所決定。

一些應用需要kHz范圍內的低頻晶體。一個(gè)常見(jiàn)的例子是32.768 kHz手(鐘)表晶體。 但是大多數當前的應用需要更高頻率的晶體，范圍從小于10MHz到大于100MHz。

2、頻率穩定性和溫度范圍

所需的頻率穩定性由系統要求確定。振蕩器的穩定性可簡(jiǎn)單地表述為：由于某些原因引起的頻率變化除以中心頻率。

即：穩定性=頻率變化÷中心頻率

例如，如果振蕩器輸出頻率為10MHz，并且隨溫度變化了10Hz，則其溫度穩定性為：10 / 10,000,000 = 1x10-6 = 1ppm。 晶振的典型穩定性可以在100ppm至0.001ppm之間。 頻率穩定性通常由應用要求決定，并進(jìn)而確定將需要的晶振類(lèi)型。振蕩器必須工作的溫度范圍是確定可以達到的穩定性的主要因素。

晶振類(lèi)型

簡(jiǎn)單晶振(XO)：這是最基本的類(lèi)型，其穩定性完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 MHz范圍內的較高頻率晶體由石英棒制成，其制造工藝應滿(mǎn)足：即使環(huán)境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化，也可提供相對穩定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內，適當切割的石英晶體也可實(shí)現±25ppm的穩定性。與諸如隨溫度變化可達1%(10,000ppm)或更高的LC振蕩電路等其它無(wú)源諧振器相比，晶體振蕩器的性能有了根本提升。但對于某些應用來(lái)說(shuō)，即使25ppm也不夠好，因此必須采用額外措施。

溫度補償晶振(TCXO)：如果固有頻率與石英晶體的溫度穩定性不能滿(mǎn)足應用要求，可以采用溫度補償單元。 TCXO使用溫度感測器件以及產(chǎn)生電壓曲線(xiàn)的電路，在整個(gè)溫度范圍內，該電壓曲線(xiàn)與晶體的頻率變化趨勢完全相反，所以可理想地抵消晶體的漂移。 根據TCXO的類(lèi)型和溫度范圍，TCXO的典型穩定性規范范圍為小于±0.5ppm至±5ppm。

恒溫控制晶振(OCXO)：對于某些應用，TCXO的頻率-溫度穩定性指標仍無(wú)法滿(mǎn)足要求。在這些情況下，可能需要OCXO。顧名思義，具有烤腔的振蕩器將晶體加熱到更高溫度，該被控溫度使得即使環(huán)境溫度可能變化很大，晶體的溫度也保持穩定。由于晶體的溫度和振蕩器的敏感部分的變化很小，頻率-環(huán)境溫度穩定性得到顯著(zhù)改善。在環(huán)境溫度范圍內，OCXO的穩定性可以達到0.001ppm。然而，這種穩定性的提升是以增加功耗為代價(jià)的，將熱量提供給烤腔當然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率來(lái)維持內部溫度。在開(kāi)機后，還需要等待溫度和頻率穩定下來(lái)的暖機時(shí)間，取決于晶振類(lèi)型，暖機時(shí)長(cháng)通常從1分鐘到10多分鐘。

壓控晶振(VCXO)：在一些應用中，期望能夠調諧或調整振蕩器的頻率，以便將其鎖相到鎖相環(huán)中的參考、或還可能是對波形進(jìn)行調制。VCXO通過(guò)電子頻率控制(EFC)電壓輸入提供此功能。對于某些專(zhuān)用器件，VCXO的調諧范圍規范可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。

TCVCXO和VCOCXO：TCXO或OCXO通常包括EFC輸入電壓。這就允許進(jìn)行調整，以便將輸出頻率精確地校準為標稱(chēng)值。

圖1：通用振蕩器框圖。

Generic XO Block Diagram: 通用簡(jiǎn)單晶振框圖

Oscillator circuit: 振蕩器電路

Output: 輸出

Generic TCXO Block diagram: 通用溫度補償晶振框圖

Temperature dependent compensation voltage generator: 依賴(lài)電壓發(fā)生器的溫度補償

Varactor diode: 變容二極管

Generic OCXO Block diagram: 通用恒溫控制晶振框圖

Oven cavity: 烤腔

Temp sensor: 溫度傳感器

Oscillator: 振蕩器

RF OUTPUT: RF輸出

Output amp: 輸出放大器

Setpoint: 設置點(diǎn)

Proportional controller: 比例控制器

Heater: 加熱器

圖2：不同晶振的頻率-溫度穩定性。

Temp: 溫度

Stability: 穩定性

3、輸入電壓和功率

任何類(lèi)型的晶振通常都可以被設計為利用系統中已有的DC輸入電源電壓來(lái)操作。 在數字系統中，通常希望使用與振蕩器將驅動(dòng)的系統中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來(lái)驅動(dòng)晶振，以便邏輯電平是直接兼容的。+3.3V或+5V是這些數字單元的典型輸入。具有較高功率輸出的其它器件可以使用較高電壓，例如+12V或+15V。另一個(gè)考慮因素是為器件供電所需的電流量。XO或TCXO可能只需要幾mA，因此在低電壓系統中，其功耗可以小于0.01W。另一方面，在上電時(shí)，一些OCXO可以需要5W或6W。

4、輸出波形

然后要選擇輸出波形以匹配振蕩器將在系統中驅動(dòng)的負載。最常見(jiàn)的輸出之一是CMOS——以驅動(dòng)邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和系統的Vdd軌之間擺動(dòng)的方波。對于高于約100MHz的較高頻率，通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個(gè)180°異相的輸出、具有快速上升和下降時(shí)間以及非常小的抖動(dòng)。最通用的類(lèi)型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用于驅動(dòng)RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件，則通常會(huì )指定某個(gè)功率級別的正弦波輸出。產(chǎn)生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之間，盡管如果需要可以輸出更高功率。

5、封裝尺寸和外形

基于振蕩器類(lèi)型和規格，對晶振封裝的要求將大相徑庭。簡(jiǎn)單的時(shí)鐘振蕩器和一些TCXO可以裝在小到1.2×2.5mm2的封裝中;而一些OCXO可以大到50×50mm2，對某些特定設計，甚至可更大。雖然一些通孔封裝如雙列直插式4或14引腳類(lèi)型仍然用于較大的部件(如OCXO或專(zhuān)用TCXO)，但大多數當前設計使用表貼封裝。這些表貼配置可以是密封的陶瓷封裝，或基于FR-4的、具有用于I/O的建構的組件。

如上所述，當選定晶振時(shí)，有許多不同的選擇要考慮。然而，通過(guò)檢查使用晶振的系統，最方便的選擇將變得顯而易見(jiàn);例如可用于為晶振供電的輸入電壓以及振蕩器的輸出將驅動(dòng)的器件的類(lèi)型等因素。還必須考慮應用的其它約束條件，例如物理尺寸和操作環(huán)境。除了這些基本參數之外，針對特定應用，還有許多其它規范要予以考量。但當將這些因素通盤(pán)考慮后，很可能會(huì )找到一款滿(mǎn)足系統要求的晶振。