石英晶體振蕩器通常是設計者考慮的最后一個組件,但是錯誤的部分會很快扼殺設計.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,你應該問自己四個關鍵問題.你找到的答案將有助于確保你的設計要求得到滿足.
你需要水晶還是振蕩器？
雖然它們看起來可能相同,有許多規格,但晶振和振蕩器是非常不同的設備.封裝晶體是一塊石英,經過切割和拋光,以高Qvalue的特定頻率共振.它不包含驅動石英產生時鐘輸出的振蕩器電路.相反,驅動電路位于晶體所連接的設備內部.
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.輸出驅動器,以及潛在的鎖相環(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)可以直接驅動芯片,也可以通過緩沖器提供特定頻率的多個拷貝.
圖1:振蕩器是一個完整的單輸出時鐘發生器.
大多數消費者和電池供電的應用使用系統芯片(SoC)設備,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.適用于高端應用——數據中心.電信.工業自動化等.—外部XO通常用于提供參考定時
用于SoC的內部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,該參考時鐘被優化為以最小的串擾提供低抖動操作.另一個顯著的好處是貼片振蕩器結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在高性能應用中至關重要,因為高水平的時鐘抖動會導致不可接受的高誤碼率(BER).丟失流量或系統通信丟失.因此,當有疑問時,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,由振蕩器驅動的應用程序或芯片組將提供最大允許抖動規格,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數據表只宣傳“典型”抖動規范.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,硬件設計人員不會對系統的所有關鍵組件都有一套全面的抖動要求.參考設計在這種情況下很有用,因為設計的振蕩器已經過審查.
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商合作也可能有所幫助,以幫助您確定最佳匹配.同樣,當有疑問時,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,以測試系統級設置和保持時間.也許最常見的是,設計者可能還不知道最終設計將使用哪個頻率,但是他們知道他們需要振蕩器來提供這個參考.
對于這種應用,理想的解決方案是提供多個預存儲頻率的振蕩器.雙振蕩器和四振蕩器可用于這些應用.這些設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用器.如果應用程序需要整數時鐘和分數時鐘的混合,請選擇一種能夠在所有目標頻率上持續提供低抖動操作的設備.
另一種有用的振蕩器是可編程XO.這些設備提供最大的頻率靈活性,在較寬的頻率范圍內提供一致的低抖動操作.這些設備可以隨時重新編程,以提供幾乎無限的頻率.
它們對于數字PLL架構的原型制作和使用也非常有用,在數字PLL架構中,主處理器提供快速數字反饋機制,允許XO鎖定和跟蹤參考信號.
頻率穩定性有多重要？
頻率穩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生的變化.如果頻率漂移超出了應用程序的預期,定時誤差可能會出現.頻率穩定性以百萬分之一或ppm表示,相對于特定溫度范圍內的標稱頻率.
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生不同的溫度響應.普通XO溫度穩定性
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越穩定.
值得注意的是,頻率穩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定性,它是溫度下頻率穩定性.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,總穩定性揭示了振蕩器在其工作壽命期間可能產生的最差頻率.
圖3:總體穩定性的組成部分.
XO可能在溫度范圍內具有優異的頻率穩定性,但這種測量僅與它在室溫下提供的標稱頻率相關.因此,對于某些設備,如SAW振蕩器,初始精度誤差可能相當大,必須加以考慮.
類似地,石英晶體經過長時間緩慢老化,這導致輸出頻率緩慢漂移.一些石英晶體振蕩器供應商規定在25℃下老化僅一年,而更保守的供應商規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定性產生重大影響,有時會使蘋果比較困難.當有疑問時,在更嚴格的條件下,使用具有保證規格的定時裝置來提供更多的設計余量會更安全.
