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选择晶振时需要考虑的五个关键点在设计中,大多数电子系统需要某种振荡器作为其关键功能块一些典型的用途包括用于同步操作的数字系统中的时钟;用于接收器或发射器的稳定RF信号;用于精确测量的精确频率参考;或用于精确计时的实时时钟系统规范以及要求振荡器所起的作用将决定晶振的大多数参数任何振荡器中的关键部件都是谐振器,它将控制频率并确定可以实现哪种水平的稳定性尽管采用LC或RC谐振器实现的简单振荡器可满足一些应用的要求,但是添加石英晶体将可大幅地将器件的频率稳定性提高好几个数量级,且通常所需的成本很小
1、输出频率任何振荡器最基本的属性都是它生成的频率根据定义,振荡器是接受输入电压(通常为直流电压)并在某一频率下产生重复交流输出的器件所需的频率由系统类型和如何使用该振荡器所决定一些应用需要kHz范围内的低频晶体一个常见的例子是
32.768kHz手(钟)表晶体但是大多数当前的应用需要更高频率的晶体,范围从小于10MHz到大于100MHzo所需的频率稳定性由系统要求确定振荡器的稳定性可简单地表述为由于某些原因引起的频率变化除以中心频率即稳定性=频率变化+中心频率例如,如果振荡器输出频率为10MHz,并且随温度变化了10Hz,则其温度稳定性为10/10,000,000=1x10-6=Ippmo晶振的典型稳定性可以在lOOppm至O.OOlppm之间频率稳定性通常由应用要求决定,并进而确定将需要的晶振类型振荡器必须工作的温度范围是确定可以达到的稳定性的主要因素晶振类型简单晶振(X0)这是最基本的类型,其稳定性完全由晶体谐振器本身的固有特性决定MHz范围内的较高频率晶体由石英棒制成,其制造工艺应满足即使环境温度在-55℃至+125℃(-67F至+257°F)之间变化,也可提供相对稳定的频率即使在这么宽的温度范围内,适当切割的石英晶体也可实现±25ppm的稳定性与诸如随温度变化可达1%(10,OOOppm)或更高的LC振荡电路等其它无源谐振器相比,晶体振荡器的性能有了根本提升但对于某些应用来说,即使25ppm也不够好,因此必须采用额外措施温度补偿晶振TCXO如果固有频率与石英晶体的温度稳定性不能满足应用要求,可以采用温度补偿单元TCXO使用温度感测器件以及产生电压曲线的电路,在整个温度范围内,该电压曲线与晶体的频率变化趋势完全相反,所以可理想地抵消晶体的漂移根据TCXO的类型和温度范围,TCXO的典型稳定性规范范围为小于±
0.5ppm至±5ppm恒温控制晶振OCXO对于某些应用,TCXO的频率-温度稳定性指标仍无法满足要求在这些情况下,可能需要OCXO顾名思义,具有烤腔的振荡器将晶体加热到更高温度,该被控温度使得即使环境温度可能变化很大,晶体的温度也保持稳定由于晶体的温度和振荡器的敏感部分的变化很小,频率-环境温度稳定性得到显着改善在环境温度范围内,OCXO的稳定性可以达到O.OOlppnu然而,这种稳定性的提升是以增加功耗为代价的,将热量提供给烤腔当然需要能量典型的OCXO可能需要1到5W的功率来维持内部温度在开机后,还需要等待温度和频率稳定下来的暖机时间,取决于晶振类型,暖机时长通常从1分钟到10多分钟压控晶振VCXO在一些应用中,期望能够调谐或调整振荡器的频率,以便将其锁相到锁相环中的参考、或还可能是对波形进行调制VCXO通过电子频率控制EFC电压输入提供此功能对于某些专用器件,VCXO的调谐范围规范可能在±lOppm到±100ppm甚至更高TCVCXO和VCOCXOTCXO或OCXO通常包括EFC输入电压这就允许进行调整,以便将输出频率精确地校准为标称值Genetic TCXOBlock Gtn4hcOCXO8400■OVTRJfMM*图L通用振荡器框图Generic XOBlock Diagram:通用简单晶振框图Oscillator circuit:振荡器电路Output:输出Generic TCXOBlock diagram:通用温度补偿晶振框图Temperature dependentcompensation voltagegenerator:依赖电压发生器的温度补偿Varactor diode:变容二极管Generic OCXOBlock diagram:通用恒温控制晶振框图Oven cavity:烤腔Temp sensor:温度传感器Oscillator:振荡器RF OUTPUT:RF输出Output amp:输出放大器Setpoint:设置点Proportional controller:比例控制器Heater:加热器一电子工怎专领XO—TCXO——OCXO e图2不同晶振的频率-温度稳定性Temp:温度Stability:稳定性
3、输入电压和功率任何类型的晶振通常都可以被设计为利用系统中已有的DC输入电源电压来操作在数字系统中,通常希望使用与振荡器将驱动的系统中的逻辑器件所使用的电压相匹配的电压来驱动晶振,以便逻辑电平是直接兼容的+
3.3V或+5V是这些数字单元的典型输入具有较高功率输出的其它器件可以使用较高电压,例如+12V或+15V另一个考虑因素是为器件供电所需的电流量X0或TCXO可能只需要几mA,因此在低电压系统中,其功耗可以小于
0.01W另一方面,在上电时,一些OCXO可以需要5W或6%
4、输出波形然后要选择输出波形以匹配振荡器将在系统中驱动的鱼曩最常见的输出之一是CMOS——以驱动逻辑电平输入CMOS输出将是在地电位和系统的Vdd轨之间摆动的方波对于高于约100MHz的较高频率,通常使用差分方波这些振荡器具有两个180异相的输出、具有快速上升和下降时间以及非常小的抖动最通用的类型是LVPECL和LVDS如果振荡器用于驱动RF组件、如混频器或其它具有50输入阻抗的器件,则通常会指定某个功率级别的正弦波输出产生的输出功率通常在OdBm到+13dBnilniW到20mW之间,尽管如果需要可以输出更高功率
5、封装尺寸和外形基于振荡器类型和规格,对晶振封装的要求将大相径庭简单的时钟振荡器和一些TCXO可以装在小到
1.2X
2.5nmi2的封装中;而一些QCXO可以大到50X50mm2,对某些特定设计,甚至可更大虽然一些通孔封装如双列直插式4或14引脚类型仍然用于较大的部件如OCXO或专用TCXO,但大多数当前设计使用表贴封装这些表贴配置可以是密封的陶瓷封装,或基于FR-4的、具有用于I/O的建构的组件如上所述,当选定晶振时,有许多不同的选择要考虑然而,通过检查使用晶振的系统,最方便的选择将变得显而易见;例如可用于为晶振供电的输入电压以及振荡器的输出将驱动的器件的类型等因素还必须考虑应用的其它约束条件,例如物理尺寸和操作环境除了这些基本参数之外,针对特定应用,还有许多其它规范要予以考量但当将这些因素通盘考虑后,很可能会找到一款满足系统要求的晶振。