石英晶體振蕩器通常是設(shè)計者考慮的最后一個組件,但是錯誤的部分會很快扼殺設(shè)計.此外,搜索各種各樣的可用振蕩器及其能力可能會令人困惑.選擇振蕩器時,你應(yīng)該問自己四個關(guān)鍵問題.你找到的答案將有助于確保你的設(shè)計要求得到滿足.
你需要水晶還是振蕩器？
雖然它們看起來可能相同,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)過切割和拋光,以高Qvalue的特定頻率共振.它不包含驅(qū)動石英產(chǎn)生時鐘輸出的振蕩器電路.相反,驅(qū)動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)是一個完整的器件,包含石英晶振.振蕩器電路.輸出驅(qū)動器,以及潛在的鎖相環(huán)(PLL).XO以指定的頻率和信號格式提供時鐘輸出,例如CMOS.LVDS和LVPECL輸出的差分晶振.振蕩器(圖1)可以直接驅(qū)動芯片,也可以通過緩沖器提供特定頻率的多個拷貝.

四個關(guān)鍵問題有助于確保你找到滿足的石英晶體振蕩器

圖1:振蕩器是一個完整的單輸出時鐘發(fā)生器.

大多數(shù)消費者和電池供電的應(yīng)用使用系統(tǒng)芯片(SoC)設(shè)備,集成了振蕩器電路和一個簡單.低成本的晶體來進行時鐘合成.適用于高端應(yīng)用——數(shù)據(jù)中心.電信.工業(yè)自動化等.—外部XO通常用于提供參考定時
用于SoC的內(nèi)部PLLs.
使用片外時鐘源是有利的,因為它提供了一個獨立的.隔離的參考時鐘,該參考時鐘被優(yōu)化為以最小的串?dāng)_提供低抖動操作.另一個顯著的好處是貼片振蕩器結(jié)合了集成電源噪聲抑制,以最小化板級噪聲對時鐘抖動的影響.
需要什么抖動性能？
定時抖動是測量時鐘信號純度的一種方法.抖動越小,噪音越小.因為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的輸出.
如圖2所示,抖動在示波器的時域中測量——例如周期抖動和周期抖動——或者在相位噪聲分析儀的頻域中測量,RMS相位抖動在一個頻帶上積分,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XOs在高性能應(yīng)用中至關(guān)重要,因為高水平的時鐘抖動會導(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)有疑問時,從較低抖動的時鐘源開始提供更多抖動余量總是更安全的.
在理想情況下,由振蕩器驅(qū)動的應(yīng)用程序或芯片組將提供最大允許抖動規(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余量,以允許來自緩沖器或定時路徑更下游的其它芯片的任何附加抖動.
另一個考慮是,一些XO數(shù)據(jù)表只宣傳“典型”抖動規(guī)范.它不能保證貼片晶振器件在過程.電壓.溫度和頻率變化上的性能.
通常情況下,硬件設(shè)計人員不會對系統(tǒng)的所有關(guān)鍵組件都有一套全面的抖動要求.參考設(shè)計在這種情況下很有用,因為設(shè)計的振蕩器已經(jīng)過審查.

與提供各種不同抖動和成本選項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)有疑問時,從低抖動振蕩器開始,然后評估放松抖動選項,作為降低成本的潛在未來途徑,總是更安全的.

你的頻率會改變嗎？
許多振蕩器應(yīng)用只需要一個固定的頻率,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.
在其他時候,可能需要有意增加一個小的頻率偏差作為裕度測試的一部分,以測試系統(tǒng)級設(shè)置和保持時間.也許最常見的是,設(shè)計者可能還不知道最終設(shè)計將使用哪個頻率,但是他們知道他們需要振蕩器來提供這個參考.
對于這種應(yīng)用,理想的解決方案是提供多個預(yù)存儲頻率的振蕩器.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XO可以代替多個振蕩器和一個多路復(fù)用器.如果應(yīng)用程序需要整數(shù)時鐘和分?jǐn)?shù)時鐘的混合,請選擇一種能夠在所有目標(biāo)頻率上持續(xù)提供低抖動操作的設(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)提供一致的低抖動操作.這些設(shè)備可以隨時重新編程,以提供幾乎無限的頻率.
它們對于數(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)字反饋機制,允許XO鎖定和跟蹤參考信號.
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,定時誤差可能會出現(xiàn).頻率穩(wěn)定性以百萬分之一或ppm表示,相對于特定溫度范圍內(nèi)的標(biāo)稱頻率.
振蕩器使用在制造過程中以不同角度切割的壓電石英晶體來產(chǎn)生不同的溫度響應(yīng).普通XO溫度穩(wěn)定性
評級包括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方面.潛在頻率偏差的完整測量稱為總穩(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,但這種測量僅與它在室溫下提供的標(biāo)稱頻率相關(guān).因此,對于某些設(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)過長時間緩慢老化,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,為長期運行提供了更可靠的保證.
老化條件會對振蕩器的總體穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響,有時會使蘋果比較困難.當(dāng)有疑問時,在更嚴(yán)格的條件下,使用具有保證規(guī)格的定時裝置來提供更多的設(shè)計余量會更安全.