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选择晶振时需要考虑的五个关键点

时间:2017-01-13 作者:Steve Fry 阅读:
在设计中,大多数电子系统需要某种振荡器作为其关键功能块。 一些典型的用途包括:用于同步操作的数字系统中的时钟;用于接收器或发射器的稳定RF信号;用于精确测量的精确频率参考;或用于精确计时的实时时钟。系统规范以及要求振荡器所起的作用将决定晶振的大多数参数。
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任何振荡器中的关键部件都是谐振器,它将控制频率并确定可以实现哪种水平的稳定性。6tbEETC-电子工程专辑

尽管采用LC或RC谐振器实现的简单振荡器可满足一些应用的要求,但是添加石英晶体将可大幅地将器件的频率稳定性提高好几个数量级,且通常所需的成本很小。6tbEETC-电子工程专辑

1.输出频率

任何振荡器最基本的属性都是它生成的频率。根据定义,振荡器是接受输入电压(通常为直流电压)并在某一频率下产生重复交流输出的器件。所需的频率由系统类型和如何使用该振荡器所决定。6tbEETC-电子工程专辑

一些应用需要kHz范围内的低频晶体。一个常见的例子是32.768 kHz手(钟)表晶体。 但是大多数当前的应用需要更高频率的晶体,范围从小于10MHz到大于100MHz。6tbEETC-电子工程专辑

2.频率稳定性和温度范围

所需的频率稳定性由系统要求确定。振荡器的稳定性可简单地表述为:由于某些原因引起的频率变化除以中心频率。6tbEETC-电子工程专辑

即:稳定性=频率变化÷中心频率6tbEETC-电子工程专辑

例如,如果振荡器输出频率为10MHz,并且随温度变化了10Hz,则其温度稳定性为:10 / 10,000,000 = 1x10-6 = 1ppm。 晶振的典型稳定性可以在100ppm至0.001ppm之间。
频率稳定性通常由应用要求决定,并进而确定将需要的晶振类型。振荡器必须工作的温度范围是确定可以达到的稳定性的主要因素。6tbEETC-电子工程专辑

晶振类型6tbEETC-电子工程专辑

简单晶振(XO):这是最基本的类型,其稳定性完全由晶体谐振器本身的固有特性决定。 MHz范围内的较高频率晶体由石英棒制成,其制造工艺应满足:即使环境温度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之间变化,也可提供相对稳定的频率。即使在这么宽的温度范围内,适当切割的石英晶体也可实现±25ppm的稳定性。与诸如随温度变化可达1%(10,000ppm)或更高的LC振荡电路等其它无源谐振器相比,晶体振荡器的性能有了根本提升。但对于某些应用来说,即使25ppm也不够好,因此必须采用额外措施。6tbEETC-电子工程专辑

温度补偿晶振(TCXO):如果固有频率与石英晶体的温度稳定性不能满足应用要求,可以采用温度补偿单元。 TCXO使用温度感测器件以及产生电压曲线的电路,在整个温度范围内,该电压曲线与晶体的频率变化趋势完全相反,所以可理想地抵消晶体的漂移。 根据TCXO的类型和温度范围,TCXO的典型稳定性规范范围为小于±0.5ppm至±5ppm。6tbEETC-电子工程专辑

恒温控制晶振(OCXO):对于某些应用,TCXO的频率-温度稳定性指标仍无法满足要求。在这些情况下,可能需要OCXO。顾名思义,具有烤腔的振荡器将晶体加热到更高温度,该被控温度使得即使环境温度可能变化很大,晶体的温度也保持稳定。由于晶体的温度和振荡器的敏感部分的变化很小,频率-环境温度稳定性得到显着改善。在环境温度范围内,OCXO的稳定性可以达到0.001ppm。然而,这种稳定性的提升是以增加功耗为代价的,将热量提供给烤腔当然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率来维持内部温度。在开机后,还需要等待温度和频率稳定下来的暖机时间,取决于晶振类型,暖机时长通常从1分钟到10多分钟。6tbEETC-电子工程专辑

压控晶振(VCXO):在一些应用中,期望能够调谐或调整振荡器的频率,以便将其锁相到锁相环中的参考、或还可能是对波形进行调制。VCXO通过电子频率控制(EFC)电压输入提供此功能。对于某些专用器件,VCXO的调谐范围规范可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。6tbEETC-电子工程专辑

TCVCXO和VCOCXO:TCXO或OCXO通常包括EFC输入电压。这就允许进行调整,以便将输出频率精确地校准为标称值。6tbEETC-电子工程专辑

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图1:通用振荡器框图。6tbEETC-电子工程专辑

Generic XO Block Diagram: 通用简单晶振框图

Oscillator circuit: 振荡器电路

Output: 输出

Generic TCXO Block diagram: 通用温度补偿晶振框图

Temperature dependent compensation voltage generator: 依赖电压发生器的温度补偿

Varactor diode: 变容二极管

Generic OCXO Block diagram: 通用恒温控制晶振框图

Oven cavity: 烤腔

Temp sensor: 温度传感器

Oscillator: 振荡器

RF OUTPUT: RF输出

Output amp: 输出放大器

Setpoint: 设置点

Proportional controller: 比例控制器

Heater: 加热器

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图2:不同晶振的频率-温度稳定性。6tbEETC-电子工程专辑

Temp: 温度

Stability: 稳定性

3.输入电压和功率

任何类型的晶振通常都可以被设计为利用系统中已有的DC输入电源电压来操作。 在数字系统中,通常希望使用与振荡器将驱动的系统中的逻辑器件所使用的电压相匹配的电压来驱动晶振,以便逻辑电平是直接兼容的。+3.3V或+5V是这些数字单元的典型输入。具有较高功率输出的其它器件可以使用较高电压,例如+12V或+15V。另一个考虑因素是为器件供电所需的电流量。XO或TCXO可能只需要几mA,因此在低电压系统中,其功耗可以小于0.01W。另一方面,在上电时,一些OCXO可以需要5W或6W。6tbEETC-电子工程专辑

4.输出波形

然后要选择输出波形以匹配振荡器将在系统中驱动的负载。最常见的输出之一是CMOS——以驱动逻辑电平输入。CMOS输出将是在地电位和系统的Vdd轨之间摆动的方波。对于高于约100MHz的较高频率,通常使用差分方波。这些振荡器具有两个180°异相的输出、具有快速上升和下降时间以及非常小的抖动。最通用的类型是LVPECL和LVDS。如果振荡器用于驱动RF组件、如混频器或其它具有50Ω输入阻抗的器件,则通常会指定某个功率级别的正弦波输出。产生的输出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之间,尽管如果需要可以输出更高功率。6tbEETC-电子工程专辑

5.封装尺寸和外形

基于振荡器类型和规格,对晶振封装的要求将大相径庭。简单的时钟振荡器和一些TCXO可以装在小到1.2×2.5mm2的封装中;而一些OCXO可以大到50×50mm2,对某些特定设计,甚至可更大。虽然一些通孔封装如双列直插式4或14引脚类型仍然用于较大的部件(如OCXO或专用TCXO),但大多数当前设计使用表贴封装。这些表贴配置可以是密封的陶瓷封装,或基于FR-4的、具有用于I/O的建构的组件。6tbEETC-电子工程专辑

如上所述,当选定晶振时,有许多不同的选择要考虑。然而,通过检查使用晶振的系统,最方便的选择将变得显而易见;例如可用于为晶振供电的输入电压以及振荡器的输出将驱动的器件的类型等因素。还必须考虑应用的其它约束条件,例如物理尺寸和操作环境。除了这些基本参数之外,针对特定应用,还有许多其它规范要予以考量。但当将这些因素通盘考虑后,很可能会找到一款满足系统要求的晶振。6tbEETC-电子工程专辑

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