晶體振蕩器通常是設計師考慮的最后一個組件之一,但錯誤的部件可能很快就會破壞設計.此外,搜索各種可用的振蕩器及其功能可能會令人困惑.選擇振蕩器時,您應該問自己有四個關鍵問題.您找到的答案將有助于確保滿足您的設計要求.
你需要水晶還是振蕩器？
雖然它們可能看起來相同并且共享許多規(guī)格,但晶體和石英晶體振蕩器是非常不同的設備.封裝的晶體是一塊石英,切割和拋光,以特定頻率共振,具有高Q值.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,晶體振蕩器或XO是一個完整的器件,包含石英晶體,振蕩器電路,輸出驅動器和潛在的鎖相環(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.振蕩器(圖1)可以直接驅動芯片或通過緩沖器饋送,以提供特定頻率的多個副本.

圖1:振蕩器是一個完整的單輸出時鐘發(fā)生器.

大多數消費類和電池供電的應用都使用帶有集成振蕩器電路的片上系統(tǒng)(SoC)器件和用于時鐘合成的簡單,低成本晶體.對于更高端的應用-數據中心,電信,工業(yè)自動化等-外部XO通常用于為SoC的內部PLL提供參考時序.使用片外時鐘源是有利的,因為它提供了一個獨立的隔離參考時鐘,該時鐘被優(yōu)化以提供低抖動操作和最小的串擾.另一個值得注意的好處是有源晶振集成了電源噪聲抑制功能,可最大限度地降低板級噪聲對時鐘抖動的影響.
需要什么抖動性能?
定時抖動是一種測量時鐘信號純度的方法.抖動越低,噪聲越小.由于振蕩器通常用作系統(tǒng)的本地“心跳”,因此需要干凈且低抖動的輸出.抖動在示波器的時域中測量-例如,周期抖動和周期間抖動-或在相位噪聲分析儀的頻域中測量,RMS相位抖動在頻帶上集成,例如12kHz到20MHz,如圖2所示.

圖2:XO相位噪聲查找工具.

具有<250fs-RMS的低相位抖動XO在高性能應用中至關重要,因為高水平的時鐘抖動會導致無法接受的高誤碼率(BER),流量丟失或系統(tǒng)通信丟失.因此,如果有疑問,從低抖動時鐘源開始提供更多的抖動裕度總是更安全.在理想情況下,由振蕩器驅動的應用或芯片組將提供最大允許抖動規(guī)范以及伴隨的積分頻帶,相位噪聲掩模和雜散要求.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中更下游的其他芯片的任何附加抖動.
另一個考慮因素是某些XO數據表僅宣告“典型”抖動規(guī)范.它不能保證器件在過程,電壓,溫度和頻率變化方面的性能.然而,硬件設計人員不會對系統(tǒng)的所有關鍵組件提供全面的抖動要求.在這種情況下,參考設計很有用,因為設計的振蕩器已經過審查.與供應商合作可能也會有所幫助,該供應商提供具有不同抖動和成本選項的各種SPXO晶體振蕩器以及幫助您確定最佳匹配度的在線工具.同樣,如果有疑問,從低抖動振蕩器開始,然后評估寬松抖動選項作為降低成本的潛在未來路徑總是更安全.
你的頻率會改變嗎？
許多振蕩器應用僅需要單個固定頻率,如156.25MHz.在其他情況下,振蕩器提供的頻率可能需要改變.例如,12G-SDI視頻成幀器可能需要在297MHz和297/1.001MHz的兩個不同視頻幀速率之間切換.在其他時候,可能需要有意添加一個小的頻率偏差作為保證金測試的一部分,以對系統(tǒng)級設置和保持時間進行壓力測試.也許最常見的是,設計人員可能還不知道最終設計將使用的確切頻率,但他們知道他們需要振蕩器來提供此參考.
對于此類應用,理想的解決方案是提供多個預存頻率的振蕩器.雙和四振蕩器可用于這些應用.這些器件的輸出頻率可通過引腳選擇,使單個XO可以替換多個振蕩器和多路復用器.如果應用需要混合整數和小數時鐘,請選擇能夠在所有目標頻率上提供始終如一的低抖動操作的設備.
另一種有用的振蕩器是I2C可編程晶振.這些器件具有最大的頻率靈活性,可在寬頻率范圍內提供一致的低抖動操作.這些設備可以在運行中重新編程,以提供幾乎無限數量的頻率.它們對于原型設計和在數字PLL架構中的使用也非常有用,其中主處理器提供快速數字反饋機制以允許XO鎖定和跟蹤參考信號.
頻率穩(wěn)定性有多重要？
頻率穩(wěn)定性衡量振蕩器輸出頻率在運行期間由于溫度變化可能發(fā)生的變化.如果頻率漂移超出應用程序預期,則可能發(fā)生定時錯誤.頻率穩(wěn)定性以相對于特定溫度范圍內的標稱頻率的百萬分率或ppm表示.振蕩器使用在制造期間以不同角度切割的石英晶體以產生不同的溫度響應.常見的XO溫度穩(wěn)定性
額定值包括±20ppm,±50ppm和±100ppm.較低的ppm意味著輸出頻率在給定的溫度范圍內更穩(wěn)定.值得注意的是,頻率穩(wěn)定性只是知道普通有源晶振頻率可能變化多少的一個方面.對潛在頻率偏差的完整測量稱為總穩(wěn)定性,它是溫度下的頻率穩(wěn)定性,25°C時的初始精度和指定時間和溫度下的老化之和.總穩(wěn)定性,如圖3所示,揭示了振蕩器在其工作壽命期間可能產生的最壞情況可能的頻率.

圖3:總穩(wěn)定性的組成部分.

OSC晶振可能在整個溫度范圍內具有出色的頻率穩(wěn)定性,但這種測量僅與其在室溫下提供的標稱頻率有關.因此,對于某些器件,例如SAW振蕩器,初始精度誤差可能非常大,必須予以考慮.類似地,石英晶體在很長一段時間內緩慢老化,這導致輸出頻率緩慢漂移.一些振蕩器供應商規(guī)定在25°C下老化僅一年,而更保守的供應商在較高溫度下指定老化10年,為長期運行提供更可靠的保證.老化條件可以使振蕩器的總穩(wěn)定性產生實質性差異,并且有時可能難以進行蘋果對蘋果的比較.如有疑問,在更嚴格的條件下使用保證規(guī)格的定時裝置更安全,以提供更多的設計余量.

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