石英晶體振蕩器通常是設(shè)計(jì)者考慮的最后一個(gè)組件,但是錯(cuò)誤的部分會(huì)很快扼殺設(shè)計(jì).此外,搜索各種各樣的可用振蕩器及其能力可能會(huì)令人困惑.選擇振蕩器時(shí),你應(yīng)該問(wèn)自己四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.你找到的答案將有助于確保你的設(shè)計(jì)要求得到滿足.
你需要水晶還是振蕩器？
雖然它們看起來(lái)可能相同,有許多規(guī)格,但晶振和振蕩器是非常不同的設(shè)備.封裝晶體是一塊石英,經(jīng)過(guò)切割和拋光,以高Qvalue的特定頻率共振.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(XO)是一個(gè)完整的器件,包含石英晶振.振蕩器電路.輸出驅(qū)動(dòng)器,以及潛在的鎖相環(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輸出的差分晶振.振蕩器(圖1)可以直接驅(qū)動(dòng)芯片,也可以通過(guò)緩沖器提供特定頻率的多個(gè)拷貝.
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)者和電池供電的應(yīng)用使用系統(tǒng)芯片(SoC)設(shè)備,集成了振蕩器電路和一個(gè)簡(jiǎn)單.低成本的晶體來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘合成.適用于高端應(yīng)用——數(shù)據(jù)中心.電信.工業(yè)自動(dòng)化等.—外部XO通常用于提供參考定時(shí)
用于SoC的內(nèi)部PLLs.
使用片外時(shí)鐘源是有利的,因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)獨(dú)立的.隔離的參考時(shí)鐘,該參考時(shí)鐘被優(yōu)化為以最小的串?dāng)_提供低抖動(dòng)操作.另一個(gè)顯著的好處是貼片振蕩器結(jié)合了集成電源噪聲抑制,以最小化板級(jí)噪聲對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的影響.
需要什么抖動(dòng)性能？
定時(shí)抖動(dòng)是測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)純度的一種方法.抖動(dòng)越小,噪音越小.因?yàn)?a title="有源晶振" target="_blank">有源晶振通常用作系統(tǒng)的本地“心跳”,所以需要干凈和低抖動(dòng)的輸出.
如圖2所示,抖動(dòng)在示波器的時(shí)域中測(cè)量——例如周期抖動(dòng)和周期抖動(dòng)——或者在相位噪聲分析儀的頻域中測(cè)量,RMS相位抖動(dòng)在一個(gè)頻帶上積分,例如12kHz到20MHz.
圖2:XO相位噪聲查找工具.
具有<250fsRMS的低相位抖動(dòng)XOs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)致不可接受的高誤碼率(BER).丟失流量或系統(tǒng)通信丟失.因此,當(dāng)有疑問(wèn)時(shí),從較低抖動(dòng)的時(shí)鐘源開(kāi)始提供更多抖動(dòng)余量總是更安全的.
在理想情況下,由振蕩器驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序或芯片組將提供最大允許抖動(dòng)規(guī)格,并附帶積分帶.相位噪聲屏蔽和雜散要求.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(lái)自緩沖器或定時(shí)路徑更下游的其它芯片的任何附加抖動(dòng).
另一個(gè)考慮是,一些XO數(shù)據(jù)表只宣傳“典型”抖動(dòng)規(guī)范.它不能保證貼片晶振器件在過(guò)程.電壓.溫度和頻率變化上的性能.
通常情況下,硬件設(shè)計(jì)人員不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的所有關(guān)鍵組件都有一套全面的抖動(dòng)要求.參考設(shè)計(jì)在這種情況下很有用,因?yàn)樵O(shè)計(jì)的振蕩器已經(jīng)過(guò)審查.
與提供各種不同抖動(dòng)和成本選項(xiàng)的振蕩器以及在線工具的供應(yīng)商合作也可能有所幫助,以幫助您確定最佳匹配.同樣,當(dāng)有疑問(wèn)時(shí),從低抖動(dòng)振蕩器開(kāi)始,然后評(píng)估放松抖動(dòng)選項(xiàng),作為降低成本的潛在未來(lái)途徑,總是更安全的.
你的頻率會(huì)改變嗎？
許多振蕩器應(yīng)用只需要一個(gè)固定的頻率,比如156.25MHZ晶振.在其他情況下,振蕩器提供的頻率可能需要改變.例如,12GSDI視頻成幀器可能需要在297MHz和297/1.001MHz的兩種不同視頻幀速率之間切換.
在其他時(shí)候,可能需要有意增加一個(gè)小的頻率偏差作為裕度測(cè)試的一部分,以測(cè)試系統(tǒng)級(jí)設(shè)置和保持時(shí)間.也許最常見(jiàn)的是,設(shè)計(jì)者可能還不知道最終設(shè)計(jì)將使用哪個(gè)頻率,但是他們知道他們需要振蕩器來(lái)提供這個(gè)參考.
對(duì)于這種應(yīng)用,理想的解決方案是提供多個(gè)預(yù)存儲(chǔ)頻率的振蕩器.雙振蕩器和四振蕩器可用于這些應(yīng)用.這些設(shè)備的輸出頻率是可精確選擇的,使得單個(gè)XO可以代替多個(gè)振蕩器和一個(gè)多路復(fù)用器.如果應(yīng)用程序需要整數(shù)時(shí)鐘和分?jǐn)?shù)時(shí)鐘的混合,請(qǐng)選擇一種能夠在所有目標(biāo)頻率上持續(xù)提供低抖動(dòng)操作的設(shè)備.
另一種有用的振蕩器是可編程XO.這些設(shè)備提供最大的頻率靈活性,在較寬的頻率范圍內(nèi)提供一致的低抖動(dòng)操作.這些設(shè)備可以隨時(shí)重新編程,以提供幾乎無(wú)限的頻率.
它們對(duì)于數(shù)字PLL架構(gòu)的原型制作和使用也非常有用,在數(shù)字PLL架構(gòu)中,主處理器提供快速數(shù)字反饋機(jī)制,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)定性是衡量振蕩器的輸出頻率在工作過(guò)程中由于溫度變化而可能發(fā)生的變化.如果頻率漂移超出了應(yīng)用程序的預(yù)期,定時(shí)誤差可能會(huì)出現(xiàn).頻率穩(wěn)定性以百萬(wàn)分之一或ppm表示,相對(duì)于特定溫度范圍內(nèi)的標(biāo)稱頻率.
振蕩器使用在制造過(guò)程中以不同角度切割的壓電石英晶體來(lái)產(chǎn)生不同的溫度響應(yīng).普通XO溫度穩(wěn)定性
評(píng)級(jí)包括20ppm.50ppm和100ppm.ppm越低意味著輸出頻率在給定的溫度范圍內(nèi)越穩(wěn)定.
值得注意的是,頻率穩(wěn)定性只是了解振蕩器頻率變化的一個(gè)方面.潛在頻率偏差的完整測(cè)量稱為總穩(wěn)定性,它是溫度下頻率穩(wěn)定性.25°C下初始精度以及特定時(shí)間和溫度下老化的總和.如圖3所示,總穩(wěn)定性揭示了振蕩器在其工作壽命期間可能產(chǎn)生的最差頻率.
圖3:總體穩(wěn)定性的組成部分.
XO可能在溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性,但這種測(cè)量?jī)H與它在室溫下提供的標(biāo)稱頻率相關(guān).因此,對(duì)于某些設(shè)備,如SAW振蕩器,初始精度誤差可能相當(dāng)大,必須加以考慮.
類似地,石英晶體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間緩慢老化,這導(dǎo)致輸出頻率緩慢漂移.一些石英晶體振蕩器供應(yīng)商規(guī)定在25℃下老化僅一年,而更保守的供應(yīng)商規(guī)定在更高溫度下老化10年,為長(zhǎng)期運(yùn)行提供了更可靠的保證.
老化條件會(huì)對(duì)振蕩器的總體穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響,有時(shí)會(huì)使蘋果比較困難.當(dāng)有疑問(wèn)時(shí),在更嚴(yán)格的條件下,使用具有保證規(guī)格的定時(shí)裝置來(lái)提供更多的設(shè)計(jì)余量會(huì)更安全.
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