晶體振蕩器通常是設(shè)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(shè)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(yīng)該問自己有四個關(guān)鍵問題.您找到的答案將有助于確保滿足您的設(shè)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(shè)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(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,晶體振蕩器或XO是一個完整的器件,包含石英晶體,振蕩器電路,輸出驅(qū)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(qū)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(shù)消費(fèi)類和電池供電的應(yīng)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(yīng)用-數(shù)據(jù)中心,電信,工業(yè)自動化等-外部XO通常用于為SoC的內(nèi)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(dú)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?dāng)_.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(yīng)用中至關(guān)重要,因為高水平的時鐘抖動會導(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,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(qū)動的應(yīng)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(shù)據(jù)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(shè)計人員不會對系統(tǒng)的所有關(guān)鍵組件提供全面的抖動要求.在這種情況下,參考設(shè)計很有用,因為設(shè)計的振蕩器已經(jīng)過審查.與供應(yīng)商合作可能也會有所幫助,該供應(yīng)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(yīng)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(shè)置和保持時間進(jìn)行壓力測試.也許最常見的是,設(shè)計人員可能還不知道最終設(shè)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(yīng)用,理想的解決方案是提供多個預(yù)存頻率的振蕩器.雙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,使單個XO可以替換多個振蕩器和多路復(fù)用器.如果應(yīng)用需要混合整數(shù)和小數(shù)時鐘,請選擇能夠在所有目標(biāo)頻率上提供始終如一的低抖動操作的設(shè)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(nèi)提供一致的低抖動操作.這些設(shè)備可以在運(yùn)行中重新編程,以提供幾乎無限數(shù)量的頻率.它們對于原型設(shè)計和在數(shù)字PLL架構(gòu)中的使用也非常有用,其中主處理器提供快速數(shù)字反饋機(jī)制以允許XO鎖定和跟蹤參考信號.
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(yùn)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(yīng)用程序預(yù)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(nèi)的標(biāo)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(chǎn)生不同的溫度響應(yīng).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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(biāo)稱頻率有關(guān).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(nèi)緩慢老化,這導(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下老化僅一年,而更保守的供應(yīng)商在較高溫度下指定老化10年,為長期運(yùn)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(chǎn)生實質(zhì)性差異,并且有時可能難以進(jìn)行蘋果對蘋果的比較.如有疑問,在更嚴(yán)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(shè)計余量.

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