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電路計時是眾多電子設(shè)備所需的關(guān)鍵功能，包括微控制器、USB、以太網(wǎng)、Wi-Fi 和藍(lán)牙接口，以及計算設(shè)備和外圍設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、測試和測量設(shè)備、工業(yè)控制和自動化、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、可穿戴設(shè)備和消費電子產(chǎn)品。通過設(shè)計晶體控制型振蕩器來提供系統(tǒng)定時，起初似乎簡單，但將石英晶體與振蕩器 IC 匹配時設(shè)計者必須考慮許多參數(shù)和設(shè)計要求。 有許多需要考慮是因素，具體包括晶體運(yùn)動阻抗、諧振模式、激勵功率和振蕩器負(fù)電阻。在電路布局方面，設(shè)計者需要考慮 PC 板的寄生電容，在晶體周圍加入保護(hù)帶以及片上集成電容。最終設(shè)計需要緊湊可靠，元件數(shù)量最少，具有較低的均方根 (rms) 抖動，并在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)功耗最小。 簡單封裝的晶體振蕩器 (SPXO) 是一種解決方案。這些連續(xù)電壓振蕩器針對低功耗和低 RMS 抖動進(jìn)行了優(yōu)化并可在 1.60 V 和 3.60 V 之間的任何電壓下運(yùn)行，這讓設(shè)計者能夠?qū)崿F(xiàn)只需極少設(shè)計即可集成到系統(tǒng)中的解決方案。 本文將簡要討論一些在使用分立式石英晶體和定時 IC 順利設(shè)計定時電路時，必須滿足的重要性能要求和必須克服的設(shè)計挑戰(zhàn)。然后介紹 Abracon 的 SPXO 解決方案，說明設(shè)計人員如何利用這些器件來切實有效地滿足電子系統(tǒng)的定時需求。 晶體振蕩器的運(yùn)行和設(shè)計挑戰(zhàn) 功耗是小型電池供電型無線設(shè)備的一個重要考慮因素。許多類似設(shè)備基于功耗極低的片上系統(tǒng) (SoC) 無線電和處理器，可以支持連續(xù)數(shù)年的電池壽命。此外，由于電池可能是系統(tǒng)中最昂貴的部件，因此盡量減少電池的尺寸對控制設(shè)備成本非常重要。也就是說，待機(jī)電流往往是小型無線系統(tǒng)中最重要的電池壽命考慮因素，而待機(jī)電流往往由時鐘振蕩器主導(dǎo)。因此，至關(guān)重要好的一點就是盡量減少振蕩器的電流消耗。 遺憾的是，設(shè)計低功耗振蕩器可能是一個挑戰(zhàn)。節(jié)省能源的一個方法是通過進(jìn)入“禁用”狀態(tài)并在需要時啟動振蕩器來盡量減少待機(jī)電流。然而，要求晶體振蕩器快速、可靠地啟動并非易事。設(shè)計者需要保證振蕩器在待機(jī)時處于低電流狀態(tài)，在所有工作和環(huán)境條件下具有可靠的啟動特性。 Pierce 振蕩器的配置常見于低功耗無線 SoC 中（圖 1）。Pierce 振蕩器基于晶體 (X) 和負(fù)載電容（C1 和 C2）構(gòu)建，由一個使用內(nèi)部反饋電阻的反相放大器包圍。在合適的條件下，當(dāng)放大器的輸出被反饋到輸入端時，會產(chǎn)生負(fù)電阻并發(fā)生振蕩。 
圖 1：圍繞晶體 (X) 和負(fù)載電容 C1 和 C2 構(gòu)建的基本 Pierce 振蕩器配置。（圖片來源：Abracon） 晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜；本討論只關(guān)于在振蕩器中運(yùn)行的晶體的頂層和簡化結(jié)構(gòu)。 閉環(huán)增益余量 Gm 可以作為一個品質(zhì)因數(shù) (FOM) 來描述振蕩器相對于各種損耗的可靠性。閉環(huán)增益余量也被稱為振蕩裕度 (OA)。OA 低于 5 時會導(dǎo)致生產(chǎn)吞吐量低以及與溫度相關(guān)的啟動問題。OA 值等于或高于 20 的設(shè)計穩(wěn)健耐用，在設(shè)計工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行可靠，并且不同生產(chǎn)批次對晶體和 SoC 性能特征的影響極小。 為了測量振蕩器的 OA，可在電路中添加可變電阻 Ra（圖 2）。增加 Ra 值，直到振蕩器無法啟動。這就是用來確定 OA 值的方法，如下所示：
其中： Rn 是負(fù)電阻 Re 是等效串聯(lián)電阻 (ESR)。
其中，負(fù)載電容 CL 的計算方法如下：
其中 Cs 是電路的可變電容器，電容值通常在 3.0 至 5.0 pF 之間。
圖 2：顯示了擴(kuò)展晶體模型（中間方框）和用于測量振蕩裕度的可調(diào)電阻器 (Ra)。（圖片來源：Abracon） OA 取決于 ESR (Re)，而 ESR 則取決于石英晶體參數(shù) Rm 和負(fù)載電容 CL。對于低功耗振蕩器，如低功耗無線設(shè)備中使用的振蕩器，Rm 和 CL 對 OA 的影響會增大。測量 OA 比較耗時，可能會延長開發(fā)過程。因此，該項工作可能被忽視，從而導(dǎo)致系統(tǒng)或設(shè)備投入生產(chǎn)時出現(xiàn)性能問題。 此外，通過設(shè)置高 OA 來確保振蕩器可靠運(yùn)行，會導(dǎo)致其他問題。例如，OA 越高振蕩器電路性能越高，但可能會忽略由于晶體造成的功率損失。這種損耗可能是一個重要因素。再來看圖 2，晶體運(yùn)動電阻 Rm 在電流周期性流經(jīng)電阻時造成功率耗散。當(dāng) CL 較大時，會增加電流和損耗。因此，設(shè)計者需要在晶體的功率損耗和合理的 OA 值之間取得平衡。 避免抖動 設(shè)計石英晶體振蕩器時，了解和減少抖動是很重要的。抖動有兩種類型，通常都以均方根值來衡量： · 周期間 抖動：也叫相位抖動，是指幾個被測量的振蕩周期之間的最大時間差，通常至少測量 10 個周期。 · 周期 抖動：這是一個時鐘沿的最大變化，需測量每個周期，而非多個周期。 石英晶體振蕩器的主要抖動源包括電源噪聲、信號頻率的整數(shù)次諧波、不當(dāng)?shù)呢?fù)載和端接條件、放大器噪聲和某些電路配置。根據(jù)不同的來源，可采用不同的方法盡量減少抖動。 · 使用旁路電容、片式磁珠或電阻電容 (RC) 濾波器來控制電源噪聲。 · 在要求極低抖動的關(guān)鍵應(yīng)用中，建立一種控制諧波的方法至關(guān)重要（不再本文探討范圍）。 · 通過優(yōu)化負(fù)載和端接條件，減少反射回輸出的功率。 · 避免使用包含鎖相環(huán)、乘法器或可編程功能的設(shè)計，因為它們往往會增加抖動。 · 連續(xù)電壓晶體振蕩器 使用 Abracon 的 ASADV、ASDDV 和 ASEDV SPXO，有利于設(shè)計偏置電壓在 1.60 至3.60 V 之間變化的系統(tǒng)（圖 3）。SPXO 系列涵蓋不同的頻率范圍；ASADV 器件的頻率為 1.25 MHz 至 100 MHz，ASDDV 和 ASEDV 器件的頻率為 1MHz 至 160MHz。該系列均符合 RoHS/RoHS II 標(biāo)準(zhǔn)，采用密封式陶瓷表面貼裝器件 (SMD) 封裝。在 -40°C 至 +85°C 的工作溫度范圍內(nèi)，該系列頻率穩(wěn)定性為 ±25ppm。
圖 3：ASADV（如圖所示）、ASDDV 和 ASEDV SPXO 采用密封式陶瓷封裝，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃。（圖片來源：Abracon） ASADV 的尺寸為 2.0 x 1.6 x 0.8 mm，ASDDV 的尺寸為 2.5 x 2.0 x 0.95 mm，ASEDV 尺寸為 3.2 x 2.5 x 1.2 mm。這三個系列可在各種常見的工作溫度范圍內(nèi)工作，提供多種穩(wěn)定性選擇以及兼容 CMOS/HCMOS/LVCMOS 的輸出格式。 重要的是，ASADV、ASDVD 和 ASEDV 系列針對低電流運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化（圖 4）。輸出啟用/禁用功能在禁用時電流降低至只有 10 μA。這些器件的最大啟動時間為 10 ms。
圖 4：ASEDV 的電流消耗與電源電壓的關(guān)系，這是該 SPXO 家族器件的典型性能（在 25℃±3℃ 下測量）。（圖片來源：Abracon） 所有三個系列的 SPXO 都具有特別低的電流消耗。對于 ASADV，在 25°C 溫度下對 15 pF 負(fù)載進(jìn)行測量時，最大電流范圍為從 1.25 MHz 和 1.8 V 電源電壓下的 1.0 mA，到 81 MHz 和 3.3 V 電源電壓下的 14.5 mA。對于 ASDDV 和 ASEDV，最大電流范圍為從 1 MHz 和 1.8 V 電源電壓下的 1.0 mA，到 157 MHz 和 3.3 V 電源電壓下的 19 mA。 這些器件可以驅(qū)動多個負(fù)載，具有良好的電磁干擾 (EMI) 性能和低抖動性能。這些器件的均方根相位抖動 <1.0 ps，最大周期抖動為 7.0 ps。 SPXO 在整個工作溫度范圍內(nèi)也具有良好的頻率穩(wěn)定性（圖 5）。在許多應(yīng)用中，這些振蕩器可以作為即插即用型解決方案，不需要任何設(shè)計工作。有了這些振蕩器，無需選擇偏置特定性振蕩器，并消除了與偏置有關(guān)的頻率變化。
圖 5：這些 SPXO 在整個工作溫度范圍內(nèi)具有良好的頻率穩(wěn)定性。該圖是 ASEDV 系列的典型圖。（圖片來源：Abracon） 最后，當(dāng)沖擊和振動不是關(guān)鍵考慮因素時，ASADV、ASDVD 和 ASEDV 連續(xù)電壓表面貼裝晶體振蕩器可用于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 振蕩器的低成本替代品。 總結(jié) 設(shè)計者需要精確和可靠的振蕩器，以便在廣泛的應(yīng)用和工作溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的定時。分立式晶體控制振蕩器可以滿足所需的性能特征，但在技術(shù)上很難做到有效地使用晶體進(jìn)行設(shè)計，并耗時并造成不必要的成本。此外，在外形尺寸方面也不是最優(yōu)選擇。 如圖所示，設(shè)計者可以使用低功耗集成 SPXO。這種 SPXO 形成了即用型計時解決方案，在很寬的工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了優(yōu)良的的頻率穩(wěn)定性。使用 SPXO，設(shè)計者可以減少元件數(shù)量，縮小解決方案尺寸，降低裝配成本并提高可靠性。 來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
