電路設計選擇晶振時需要考慮的五個關鍵點

唐輝電子92

設計中，大多數電子系統需要某種振蕩器作為其關鍵功能塊。 一些典型的用途包括：用于同步操作的數字系統中的時鐘;用于接收器或發射器的穩定RF信號;用于精確測量的精確頻率參考;或用于精確計時的實時時鐘。系統規范以及要求振蕩器所起的作用將決定晶振的大多數參數。

任何振蕩器中的關鍵部件都是諧振器，它將控制頻率并確定可以實現哪種水平的穩定性。

盡管采用LC或RC諧振器實現的簡單振蕩器可滿足一些應用的要求，但是添加石英晶體將可大幅地將器件的頻率穩定性提高好幾個數量級，且通常所需的成本很小。

1、輸出頻率

任何振蕩器最基本的屬性都是它生成的頻率。根據定義，振蕩器是接受輸入電壓(通常為直流電壓)并在某一頻率下產生重復交流輸出的器件。所需的頻率由系統類型和如何使用該振蕩器所決定。

一些應用需要kHz范圍內的低頻晶體。一個常見的例子是32.768 kHz手(鐘)表晶體。 但是大多數當前的應用需要更高頻率的晶體，范圍從小于10MHz到大于100MHz。

2、頻率穩定性和溫度范圍

所需的頻率穩定性由系統要求確定。振蕩器的穩定性可簡單地表述為：由于某些原因引起的頻率變化除以中心頻率。

即：穩定性=頻率變化÷中心頻率

例如，如果振蕩器輸出頻率為10MHz，并且隨溫度變化了10Hz，則其溫度穩定性為：10 / 10,000,000 = 1x10-6 = 1ppm。 晶振的典型穩定性可以在100ppm至0.001ppm之間。 頻率穩定性通常由應用要求決定，并進而確定將需要的晶振類型。振蕩器必須工作的溫度范圍是確定可以達到的穩定性的主要因素。

晶振類型

簡單晶振(XO)：這是最基本的類型，其穩定性完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 MHz范圍內的較高頻率晶體由石英棒制成，其制造工藝應滿足：即使環境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化，也可提供相對穩定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內，適當切割的石英晶體也可實現±25ppm的穩定性。與諸如隨溫度變化可達1%(10,000ppm)或更高的LC振蕩電路等其它無源諧振器相比，晶體振蕩器的性能有了根本提升。但對于某些應用來說，即使25ppm也不夠好，因此必須采用額外措施。

溫度補償晶振(TCXO)：如果固有頻率與石英晶體的溫度穩定性不能滿足應用要求，可以采用溫度補償單元。 TCXO使用溫度感測器件以及產生電壓曲線的電路，在整個溫度范圍內，該電壓曲線與晶體的頻率變化趨勢完全相反，所以可理想地抵消晶體的漂移。 根據TCXO的類型和溫度范圍，TCXO的典型穩定性規范范圍為小于±0.5ppm至±5ppm。

恒溫控制晶振(OCXO)：對于某些應用，TCXO的頻率-溫度穩定性指標仍無法滿足要求。在這些情況下，可能需要OCXO。顧名思義，具有烤腔的振蕩器將晶體加熱到更高溫度，該被控溫度使得即使環境溫度可能變化很大，晶體的溫度也保持穩定。由于晶體的溫度和振蕩器的敏感部分的變化很小，頻率-環境溫度穩定性得到顯著改善。在環境溫度范圍內，OCXO的穩定性可以達到0.001ppm。然而，這種穩定性的提升是以增加功耗為代價的，將熱量提供給烤腔當然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率來維持內部溫度。在開機后，還需要等待溫度和頻率穩定下來的暖機時間，取決于晶振類型，暖機時長通常從1分鐘到10多分鐘。

壓控晶振(VCXO)：在一些應用中，期望能夠調諧或調整振蕩器的頻率，以便將其鎖相到鎖相環中的參考、或還可能是對波形進行調制。VCXO通過電子頻率控制(EFC)電壓輸入提供此功能。對于某些專用器件，VCXO的調諧范圍規范可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。

TCVCXO和VCOCXO：TCXO或OCXO通常包括EFC輸入電壓。這就允許進行調整，以便將輸出頻率精確地校準為標稱值。

圖1：通用振蕩器框圖。

Generic XO Block Diagram: 通用簡單晶振框圖

Oscillator circuit: 振蕩器電路

Output: 輸出

Generic TCXO Block diagram: 通用溫度補償晶振框圖

Temperature dependent compensation voltage generator: 依賴電壓發生器的溫度補償

Varactor diode: 變容二極管

Generic OCXO Block diagram: 通用恒溫控制晶振框圖

Oven cavity: 烤腔

Temp sensor: 溫度傳感器

Oscillator: 振蕩器

RF OUTPUT: RF輸出

Output amp: 輸出放大器

Setpoint: 設置點

Proportional controller: 比例控制器

Heater: 加熱器

圖2：不同晶振的頻率-溫度穩定性。

Temp: 溫度

Stability: 穩定性

3、輸入電壓和功率

任何類型的晶振通常都可以被設計為利用系統中已有的DC輸入電源電壓來操作。 在數字系統中，通常希望使用與振蕩器將驅動的系統中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來驅動晶振，以便邏輯電平是直接兼容的。+3.3V或+5V是這些數字單元的典型輸入。具有較高功率輸出的其它器件可以使用較高電壓，例如+12V或+15V。另一個考慮因素是為器件供電所需的電流量。XO或TCXO可能只需要幾mA，因此在低電壓系統中，其功耗可以小于0.01W。另一方面，在上電時，一些OCXO可以需要5W或6W。

4、輸出波形

然后要選擇輸出波形以匹配振蕩器將在系統中驅動的負載。最常見的輸出之一是CMOS——以驅動邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和系統的Vdd軌之間擺動的方波。對于高于約100MHz的較高頻率，通常使用差分方波。這些振蕩器具有兩個180°異相的輸出、具有快速上升和下降時間以及非常小的抖動。最通用的類型是LVPECL和LVDS。如果振蕩器用于驅動RF組件、如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件，則通常會指定某個功率級別的正弦波輸出。產生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之間，盡管如果需要可以輸出更高功率。

5、封裝尺寸和外形

基于振蕩器類型和規格，對晶振封裝的要求將大相徑庭。簡單的時鐘振蕩器和一些TCXO可以裝在小到1.2×2.5mm2的封裝中;而一些OCXO可以大到50×50mm2，對某些特定設計，甚至可更大。雖然一些通孔封裝如雙列直插式4或14引腳類型仍然用于較大的部件(如OCXO或專用TCXO)，但大多數當前設計使用表貼封裝。這些表貼配置可以是密封的陶瓷封裝，或基于FR-4的、具有用于I/O的建構的組件。

如上所述，當選定晶振時，有許多不同的選擇要考慮。然而，通過檢查使用晶振的系統，最方便的選擇將變得顯而易見;例如可用于為晶振供電的輸入電壓以及振蕩器的輸出將驅動的器件的類型等因素。還必須考慮應用的其它約束條件，例如物理尺寸和操作環境。除了這些基本參數之外，針對特定應用，還有許多其它規范要予以考量。但當將這些因素通盤考慮后，很可能會找到一款滿足系統要求的晶振。