晶体振荡器通常是设计师考虑的最后一个组件之一,但错误的部件可能很快就会破坏设计.此外,搜索各种可用的振荡器及其功能可能会令人困惑.选择振荡器时,您应该问自己有四个关键问题.您找到的答案将有助于确保满足您的设计要求.
你需要水晶还是振荡器？
虽然它们可能看起来相同并且共享许多规格,但晶体和石英晶体振荡器是非常不同的设备.封装的晶体是一块石英,切割和抛光,以特定频率共振,具有高Q值.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,晶体振荡器或XO是一个完整的器件,包含石英晶体,振荡器电路,输出驱动器和潜在的锁相环(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.振荡器(图1)可以直接驱动芯片或通过缓冲器馈送,以提供特定频率的多个副本.

图1:振荡器是一个完整的单输出时钟发生器.

大多数消费类和电池供电的应用都使用带有集成振荡器电路的片上系统(SoC)器件和用于时钟合成的简单,低成本晶体.对于更高端的应用-数据中心,电信,工业自动化等-外部XO通常用于为SoC的内部PLL提供参考时序.使用片外时钟源是有利的,因为它提供了一个独立的隔离参考时钟,该时钟被优化以提供低抖动操作和最小的串扰.另一个值得注意的好处是有源晶振集成了电源噪声抑制功能,可最大限度地降低板级噪声对时钟抖动的影响.
需要什么抖动性能?
定时抖动是一种测量时钟信号纯度的方法.抖动越低,噪声越小.由于振荡器通常用作系统的本地“心跳”,因此需要干净且低抖动的输出.抖动在示波器的时域中测量-例如,周期抖动和周期间抖动-或在相位噪声分析仪的频域中测量,RMS相位抖动在频带上集成,例如12kHz到20MHz,如图2所示.

图2:XO相位噪声查找工具.

具有<250fs-RMS的低相位抖动XO在高性能应用中至关重要,因为高水平的时钟抖动会导致无法接受的高误码率(BER),流量丢失或系统通信丢失.因此,如果有疑问,从低抖动时钟源开始提供更多的抖动裕度总是更安全.在理想情况下,由振荡器驱动的应用或芯片组将提供最大允许抖动规范以及伴随的积分频带,相位噪声掩模和杂散要求.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中更下游的其他芯片的任何附加抖动.
另一个考虑因素是某些XO数据表仅宣告“典型”抖动规范.它不能保证器件在过程,电压,温度和频率变化方面的性能.然而,硬件设计人员不会对系统的所有关键组件提供全面的抖动要求.在这种情况下,参考设计很有用,因为设计的振荡器已经过审查.与供应商合作可能也会有所帮助,该供应商提供具有不同抖动和成本选项的各种SPXO晶体振荡器以及帮助您确定最佳匹配度的在线工具.同样,如果有疑问,从低抖动振荡器开始,然后评估宽松抖动选项作为降低成本的潜在未来路径总是更安全.
你的频率会改变吗？
许多振荡器应用仅需要单个固定频率,如156.25MHz.在其他情况下,振荡器提供的频率可能需要改变.例如,12G-SDI视频成帧器可能需要在297MHz和297/1.001MHz的两个不同视频帧速率之间切换.在其他时候,可能需要有意添加一个小的频率偏差作为保证金测试的一部分,以对系统级设置和保持时间进行压力测试.也许最常见的是,设计人员可能还不知道最终设计将使用的确切频率,但他们知道他们需要振荡器来提供此参考.
对于此类应用,理想的解决方案是提供多个预存频率的振荡器.双和四振荡器可用于这些应用.这些器件的输出频率可通过引脚选择,使单个XO可以替换多个振荡器和多路复用器.如果应用需要混合整数和小数时钟,请选择能够在所有目标频率上提供始终如一的低抖动操作的设备.
另一种有用的振荡器是I2C可编程晶振.这些器件具有最大的频率灵活性,可在宽频率范围内提供一致的低抖动操作.这些设备可以在运行中重新编程,以提供几乎无限数量的频率.它们对于原型设计和在数字PLL架构中的使用也非常有用,其中主处理器提供快速数字反馈机制以允许XO锁定和跟踪参考信号.
频率稳定性有多重要？
频率稳定性衡量振荡器输出频率在运行期间由于温度变化可能发生的变化.如果频率漂移超出应用程序预期,则可能发生定时错误.频率稳定性以相对于特定温度范围内的标称频率的百万分率或ppm表示.振荡器使用在制造期间以不同角度切割的石英晶体以产生不同的温度响应.常见的XO温度稳定性
额定值包括±20ppm,±50ppm和±100ppm.较低的ppm意味着输出频率在给定的温度范围内更稳定.值得注意的是,频率稳定性只是知道普通有源晶振频率可能变化多少的一个方面.对潜在频率偏差的完整测量称为总稳定性,它是温度下的频率稳定性,25°C时的初始精度和指定时间和温度下的老化之和.总稳定性,如图3所示,揭示了振荡器在其工作寿命期间可能产生的最坏情况可能的频率.

图3:总稳定性的组成部分.

OSC晶振可能在整个温度范围内具有出色的频率稳定性,但这种测量仅与其在室温下提供的标称频率有关.因此,对于某些器件,例如SAW振荡器,初始精度误差可能非常大,必须予以考虑.类似地,石英晶体在很长一段时间内缓慢老化,这导致输出频率缓慢漂移.一些振荡器供应商规定在25°C下老化仅一年,而更保守的供应商在较高温度下指定老化10年,为长期运行提供更可靠的保证.老化条件可以使振荡器的总稳定性产生实质性差异,并且有时可能难以进行苹果对苹果的比较.如有疑问,在更严格的条件下使用保证规格的定时装置更安全,以提供更多的设计余量.

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