石英晶体振荡器通常是设计者考虑的最后一个组件,但是错误的部分会很快扼杀设计.此外,搜索各种各样的可用振荡器及其能力可能会令人困惑.选择振荡器时,你应该问自己四个关键问题.你找到的答案将有助于确保你的设计要求得到满足.
你需要水晶还是振荡器？
虽然它们看起来可能相同,有许多规格,但晶振和振荡器是非常不同的设备.封装晶体是一块石英,经过切割和抛光,以高Qvalue的特定频率共振.它不包含驱动石英产生时钟输出的振荡器电路.相反,驱动电路位于晶体所连接的设备内部.
相比之下,晶体振荡器(XO)是一个完整的器件,包含石英晶振.振荡器电路.输出驱动器,以及潜在的锁相环(PLL).XO以指定的频率和信号格式提供时钟输出,例如CMOS.LVDS和LVPECL输出的差分晶振.振荡器(图1)可以直接驱动芯片,也可以通过缓冲器提供特定频率的多个拷贝.
图1:振荡器是一个完整的单输出时钟发生器.
大多数消费者和电池供电的应用使用系统芯片(SoC)设备,集成了振荡器电路和一个简单.低成本的晶体来进行时钟合成.适用于高端应用——数据中心.电信.工业自动化等.—外部XO通常用于提供参考定时
用于SoC的内部PLLs.
使用片外时钟源是有利的,因为它提供了一个独立的.隔离的参考时钟,该参考时钟被优化为以最小的串扰提供低抖动操作.另一个显著的好处是贴片振荡器结合了集成电源噪声抑制,以最小化板级噪声对时钟抖动的影响.
需要什么抖动性能？
定时抖动是测量时钟信号纯度的一种方法.抖动越小,噪音越小.因为有源晶振通常用作系统的本地“心跳”,所以需要干净和低抖动的输出.
如图2所示,抖动在示波器的时域中测量——例如周期抖动和周期抖动——或者在相位噪声分析仪的频域中测量,RMS相位抖动在一个频带上积分,例如12kHz到20MHz.
图2:XO相位噪声查找工具.
具有<250fsRMS的低相位抖动XOs在高性能应用中至关重要,因为高水平的时钟抖动会导致不可接受的高误码率(BER).丢失流量或系统通信丢失.因此,当有疑问时,从较低抖动的时钟源开始提供更多抖动余量总是更安全的.
在理想情况下,由振荡器驱动的应用程序或芯片组将提供最大允许抖动规格,并附带积分带.相位噪声屏蔽和杂散要求.在这种情况下,主要考虑的是振荡器需要多少抖动余量,以允许来自缓冲器或定时路径更下游的其它芯片的任何附加抖动.
另一个考虑是,一些XO数据表只宣传“典型”抖动规范.它不能保证贴片晶振器件在过程.电压.温度和频率变化上的性能.
通常情况下,硬件设计人员不会对系统的所有关键组件都有一套全面的抖动要求.参考设计在这种情况下很有用,因为设计的振荡器已经过审查.
与提供各种不同抖动和成本选项的振荡器以及在线工具的供应商合作也可能有所帮助,以帮助您确定最佳匹配.同样,当有疑问时,从低抖动振荡器开始,然后评估放松抖动选项,作为降低成本的潜在未来途径,总是更安全的.
你的频率会改变吗？
许多振荡器应用只需要一个固定的频率,比如156.25MHZ晶振.在其他情况下,振荡器提供的频率可能需要改变.例如,12GSDI视频成帧器可能需要在297MHz和297/1.001MHz的两种不同视频帧速率之间切换.
在其他时候,可能需要有意增加一个小的频率偏差作为裕度测试的一部分,以测试系统级设置和保持时间.也许最常见的是,设计者可能还不知道最终设计将使用哪个频率,但是他们知道他们需要振荡器来提供这个参考.
对于这种应用,理想的解决方案是提供多个预存储频率的振荡器.双振荡器和四振荡器可用于这些应用.这些设备的输出频率是可精确选择的,使得单个XO可以代替多个振荡器和一个多路复用器.如果应用程序需要整数时钟和分数时钟的混合,请选择一种能够在所有目标频率上持续提供低抖动操作的设备.
另一种有用的振荡器是可编程XO.这些设备提供最大的频率灵活性,在较宽的频率范围内提供一致的低抖动操作.这些设备可以随时重新编程,以提供几乎无限的频率.
它们对于数字PLL架构的原型制作和使用也非常有用,在数字PLL架构中,主处理器提供快速数字反馈机制,允许XO锁定和跟踪参考信号.
频率稳定性有多重要？
频率稳定性是衡量振荡器的输出频率在工作过程中由于温度变化而可能发生的变化.如果频率漂移超出了应用程序的预期,定时误差可能会出现.频率稳定性以百万分之一或ppm表示,相对于特定温度范围内的标称频率.
振荡器使用在制造过程中以不同角度切割的压电石英晶体来产生不同的温度响应.普通XO温度稳定性
评级包括20ppm.50ppm和100ppm.ppm越低意味着输出频率在给定的温度范围内越稳定.
值得注意的是,频率稳定性只是了解振荡器频率变化的一个方面.潜在频率偏差的完整测量称为总稳定性,它是温度下频率稳定性.25°C下初始精度以及特定时间和温度下老化的总和.如图3所示,总稳定性揭示了振荡器在其工作寿命期间可能产生的最差频率.
图3:总体稳定性的组成部分.
XO可能在温度范围内具有优异的频率稳定性,但这种测量仅与它在室温下提供的标称频率相关.因此,对于某些设备,如SAW振荡器,初始精度误差可能相当大,必须加以考虑.
类似地,石英晶体经过长时间缓慢老化,这导致输出频率缓慢漂移.一些石英晶体振荡器供应商规定在25℃下老化仅一年,而更保守的供应商规定在更高温度下老化10年,为长期运行提供了更可靠的保证.
老化条件会对振荡器的总体稳定性产生重大影响,有时会使苹果比较困难.当有疑问时,在更严格的条件下,使用具有保证规格的定时装置来提供更多的设计余量会更安全.
