晶體振蕩器通常是設(shè)計(jì)師最后考慮的組件之一，但錯(cuò)誤的部分會(huì)迅速扼殺設(shè)計(jì)。此外，搜索各種各樣的可用振蕩器及其功能可能會(huì)令人困惑。在選擇振蕩器時(shí)，您應(yīng)該問自己四個(gè)關(guān)鍵問題。您找到的答案將有助于確保滿足您的設(shè)計(jì)要求。

您需要晶體還是振蕩器?

雖然它們可能看起來相同并且共享許多規(guī)格，但晶體和振蕩器是非常不同的設(shè)備。封裝的晶體是一塊石英，經(jīng)過切割和拋光，以具有高 Q 值的特定頻率諧振。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，晶體振蕩器或 XO 是一個(gè)完整的設(shè)備，它包含石英晶體、振蕩器電路、輸出驅(qū)動(dòng)器和潛在的鎖相環(huán) (PLL)。XO 提供指定頻率和信號(hào)格式的時(shí)鐘輸出，例如 CMOS、LVDS 和 LVPECL。振蕩器既可以直接驅(qū)動(dòng)芯片，也可以通過緩沖器饋送以提供特定頻率的多個(gè)副本。

大多數(shù)消費(fèi)類和電池供電的應(yīng)用使用片上系統(tǒng) (SoC) 器件，該器件具有集成的振蕩器電路和用于時(shí)鐘合成的簡(jiǎn)單、低成本晶體。對(duì)于高端應(yīng)用(數(shù)據(jù)中心、電信、工業(yè)自動(dòng)化等)，通常使用外部 XO 為 SoC 的內(nèi)部 PLL 提供參考時(shí)序。

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，經(jīng)過優(yōu)化以提供低抖動(dòng)操作和最小的串?dāng)_。另一個(gè)顯著的好處是振蕩器集成了電源噪聲抑制功能，以最大限度地減少板級(jí)噪聲對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的影響。

需要什么樣的抖動(dòng)性能?

時(shí)序抖動(dòng)是一種測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)純度的方法。抖動(dòng)越低，噪音就越小。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(dòng)的輸出。

抖動(dòng)是在示波器上的時(shí)域中測(cè)量的——例如，周期抖動(dòng)和周期到周期抖動(dòng)——或者在相位噪聲分析儀的頻域中測(cè)量，RMS 相位抖動(dòng)集成在一個(gè)頻帶上，例如 12 kHz至 20 MHz，如圖所示。

圖 ：XO 相位噪聲查找工具。

<250 fs-RMS 的低相位抖動(dòng) XO 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)致無法接受的高誤碼率 (BER)、流量丟失或系統(tǒng)通信丟失。因此，當(dāng)有疑問時(shí)，從較低抖動(dòng)的時(shí)鐘源開始總是更安全，以提供更大的抖動(dòng)余量。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)范以及相應(yīng)的集成頻帶、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(dòng)余量，以允許來自時(shí)序路徑下游的緩沖器或其他芯片的任何附加抖動(dòng)。

另一個(gè)考慮因素是一些 XO 數(shù)據(jù)表只宣傳“典型”抖動(dòng)規(guī)范。它不保證器件在工藝、電壓、溫度和頻率變化方面的性能。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)在這種情況下很有幫助，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的振蕩器已經(jīng)過審查。與提供各種具有不同抖動(dòng)和成本選項(xiàng)的振蕩器以及幫助您確定最合適的在線工具的供應(yīng)商合作也可能會(huì)有所幫助。同樣，當(dāng)有疑問時(shí)，從較低抖動(dòng)的振蕩器開始總是更安全，然后再評(píng)估寬松的抖動(dòng)選項(xiàng)，作為未來降低成本的潛在途徑。

你的頻率會(huì)改變嗎?

許多振蕩器應(yīng)用只需要一個(gè)單一的固定頻率，例如 156.25 MHz。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 297 MHz 和 297/1.001 MHz 兩種不同的視頻幀速率之間切換。

在其他時(shí)候，可能需要有意添加一個(gè)小的頻率偏差作為余量測(cè)試的一部分，以對(duì)系統(tǒng)級(jí)建立和保持時(shí)間進(jìn)行壓力測(cè)試。也許最常見的是，設(shè)計(jì)人員可能還不知道最終設(shè)計(jì)將使用哪個(gè)頻率，但他們知道他們需要一個(gè)振蕩器來提供這個(gè)參考。

對(duì)于此類應(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。這些器件的輸出頻率可通過引腳選擇，從而使單個(gè) XO 能夠替代多個(gè)振蕩器和一個(gè)多路復(fù)用器。如果應(yīng)用需要整數(shù)和小數(shù)時(shí)鐘的混合，請(qǐng)選擇在所有目標(biāo)頻率上提供始終如一的低抖動(dòng)操作的器件。

另一種有用的振蕩器類型是 I 2 C 可編程 XO。這些器件提供最大的頻率靈活性，在寬頻率范圍內(nèi)提供一致的低抖動(dòng)操作。這些設(shè)備可以即時(shí)重新編程，以提供幾乎無限數(shù)量的頻率。

它們對(duì)于原型設(shè)計(jì)和在數(shù)字 PLL 架構(gòu)中的使用也非常有用，其中主機(jī)處理器提供快速數(shù)字反饋機(jī)制以允許 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)定性是衡量振蕩器輸出頻率在工作期間由于溫度變化而可能發(fā)生多少變化的量度。如果頻率漂移超出應(yīng)用程序的預(yù)期，則可能會(huì)出現(xiàn)時(shí)序錯(cuò)誤。相對(duì)于特定溫度范圍內(nèi)的標(biāo)稱頻率，頻率穩(wěn)定性以百萬分之幾或 ppm 表示。

振蕩器在制造過程中使用以不同角度切割的石英晶體來產(chǎn)生不同的溫度響應(yīng)。常見的 XO 溫度穩(wěn)定性等級(jí)包括 ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。較低的 ppm 意味著輸出頻率在給定的溫度范圍內(nèi)更穩(wěn)定。

值得注意的是，頻率穩(wěn)定性只是了解振蕩器頻率可能變化多少的一個(gè)方面。對(duì)潛在頻率偏差的完整測(cè)量稱為總穩(wěn)定性，它是隨溫度變化的頻率穩(wěn)定性、25°C 時(shí)的初始精度以及特定時(shí)間和溫度下的老化的總和。如圖所示，總穩(wěn)定性揭示了振蕩器在其使用壽命期間可能產(chǎn)生的最壞情況下的可能頻率。

圖 ：總穩(wěn)定性的組成部分。

XO 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)可能具有出色的頻率穩(wěn)定性，但這種測(cè)量?jī)H與它在室溫下提供的標(biāo)稱頻率有關(guān)。因此，對(duì)于某些器件(例如 SAW 振蕩器)而言，初始精度誤差可能非常大，必須加以考慮。

同樣，石英晶體會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)緩慢老化，這會(huì)導(dǎo)致輸出頻率緩慢漂移。一些振蕩器供應(yīng)商規(guī)定在25°C時(shí)僅老化一年，而較為保守的供應(yīng)商則規(guī)定在更高溫度下老化10年，為長(zhǎng)期運(yùn)行提供更可靠的保證。

老化條件會(huì)對(duì)振蕩器的總穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，有時(shí)會(huì)使蘋果與蘋果之間的比較變得困難。如有疑問，在更嚴(yán)格的條件下使用具有保證規(guī)格的計(jì)時(shí)設(shè)備會(huì)更安全，以提供更大的設(shè)計(jì)余量。

審核編輯：湯梓紅