選擇晶振時需要考慮的五個關(guān)鍵點

設(shè)計中，大多數(shù)電子系統(tǒng)需要某種振蕩器作為其關(guān)鍵功能塊。 一些典型的用途包括：用于同步操作的數(shù)字系統(tǒng)中的時鐘;用于接收器或發(fā)射器的穩(wěn)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(tǒng)規(guī)范以及要求振蕩器所起的作用將決定晶振的大多數(shù)參數(shù)。

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

盡管采用LC或RC諧振器實現(xiàn)的簡單振蕩器可滿足一些應(yīng)用的要求，但是添加石英晶體將可大幅地將器件的頻率穩(wěn)定性提高好幾個數(shù)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(jù)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(chǎn)生重復(fù)交流輸出的器件。所需的頻率由系統(tǒng)類型和如何使用該振蕩器所決定。

一些應(yīng)用需要kHz范圍內(nèi)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(shù)當(dāng)前的應(yīng)用需要更高頻率的晶體，范圍從小于10MHz到大于100MHz。

2、頻率穩(wěn)定性和溫度范圍

所需的頻率穩(wěn)定性由系統(tǒng)要求確定。振蕩器的穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性為：10 / 10,000,000 = 1x10-6 = 1ppm。 晶振的典型穩(wěn)定性可以在100ppm至0.001ppm之間。 頻率穩(wěn)定性通常由應(yīng)用要求決定，并進(jìn)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(dá)到的穩(wěn)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(wěn)定性完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 MHz范圍內(nèi)的較高頻率晶體由石英棒制成，其制造工藝應(yīng)滿足：即使環(huán)境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化，也可提供相對穩(wěn)定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)切割的石英晶體也可實現(xiàn)±25ppm的穩(wěn)定性。與諸如隨溫度變化可達(dá)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(yīng)用來說，即使25ppm也不夠好，因此必須采用額外措施。

溫度補(bǔ)償晶振(TCXO)：如果固有頻率與石英晶體的溫度穩(wěn)定性不能滿足應(yīng)用要求，可以采用溫度補(bǔ)償單元。 TCXO使用溫度感測器件以及產(chǎn)生電壓曲線的電路，在整個溫度范圍內(nèi)，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(jù)TCXO的類型和溫度范圍，TCXO的典型穩(wěn)定性規(guī)范范圍為小于±0.5ppm至±5ppm。

恒溫控制晶振(OCXO)：對于某些應(yīng)用，TCXO的頻率-溫度穩(wěn)定性指標(biāo)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(huán)境溫度可能變化很大，晶體的溫度也保持穩(wěn)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(huán)境溫度穩(wěn)定性得到顯著改善。在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，OCXO的穩(wěn)定性可以達(dá)到0.001ppm。然而，這種穩(wěn)定性的提升是以增加功耗為代價的，將熱量提供給烤腔當(dāng)然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率來維持內(nèi)部溫度。在開機(jī)后，還需要等待溫度和頻率穩(wěn)定下來的暖機(jī)時間，取決于晶振類型，暖機(jī)時長通常從1分鐘到10多分鐘。

壓控晶振(VCXO)：在一些應(yīng)用中，期望能夠調(diào)諧或調(diào)整振蕩器的頻率，以便將其鎖相到鎖相環(huán)中的參考、或還可能是對波形進(jìn)行調(diào)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(diào)諧范圍規(guī)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(jìn)行調(diào)整，以便將輸出頻率精確地校準(zhǔn)為標(biāo)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(bǔ)償晶振框圖

Temperature dependent compensation voltage generator: 依賴電壓發(fā)生器的溫度補(bǔ)償

Varactor diode: 變?nèi)荻O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(shè)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(wěn)定性。

Temp: 溫度

Stability: 穩(wěn)定性

3、輸入電壓和功率

任何類型的晶振通常都可以被設(shè)計為利用系統(tǒng)中已有的DC輸入電源電壓來操作。 在數(shù)字系統(tǒng)中，通常希望使用與振蕩器將驅(qū)動的系統(tǒng)中的邏輯器件所使用的電壓相匹配的電壓來驅(qū)動晶振，以便邏輯電平是直接兼容的。+3.3V或+5V是這些數(shù)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(tǒng)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(tǒng)中驅(qū)動的負(fù)載。最常見的輸出之一是CMOS——以驅(qū)動邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在地電位和系統(tǒng)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(qū)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(chǎn)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(guī)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(shè)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?qū)Ｓ肨CXO)，但大多數(shù)當(dāng)前設(shè)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(gòu)的組件。

如上所述，當(dāng)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(tǒng)，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(qū)動的器件的類型等因素。還必須考慮應(yīng)用的其它約束條件，例如物理尺寸和操作環(huán)境。除了這些基本參數(shù)之外，針對特定應(yīng)用，還有許多其它規(guī)范要予以考量。但當(dāng)將這些因素通盤考慮后，很可能會找到一款滿足系統(tǒng)要求的晶振。