如何為您的設(shè)計選擇合適的振蕩器

晶體振蕩器通常是設(shè)計師最后考慮的組件之一，但錯誤的部分會迅速扼殺設(shè)計。此外，搜索各種各樣的可用振蕩器及其功能可能會令人困惑。在選擇振蕩器時，您應(yīng)該問自己四個關(guān)鍵問題。您找到的答案將有助于確保滿足您的設(shè)計要求。

您需要晶體還是振蕩器?

雖然它們可能看起來相同并且共享許多規(guī)格，但晶體和振蕩器是非常不同的設(shè)備。封裝的晶體是一塊石英，經(jīng)過切割和拋光，以具有高 Q 值的特定頻率諧振。它不包含驅(qū)動石英產(chǎn)生時鐘輸出的振蕩器電路。相反，驅(qū)動電路位于晶體所連接的設(shè)備內(nèi)部。

相比之下，晶體振蕩器或 XO 是一個完整的設(shè)備，它包含石英晶體、振蕩器電路、輸出驅(qū)動器和潛在的鎖相環(huán) (PLL)。XO 提供指定頻率和信號格式的時鐘輸出，例如 CMOS、LVDS 和 LVPECL。振蕩器既可以直接驅(qū)動芯片，也可以通過緩沖器饋送以提供特定頻率的多個副本。

大多數(shù)消費類和電池供電的應(yīng)用使用片上系統(tǒng) (SoC) 器件，該器件具有集成的振蕩器電路和用于時鐘合成的簡單、低成本晶體。對于高端應(yīng)用(數(shù)據(jù)中心、電信、工業(yè)自動化等)，通常使用外部 XO 為 SoC 的內(nèi)部 PLL 提供參考時序。

使用片外時鐘源是有利的，因為它提供了一個獨立的、隔離的參考時鐘，經(jīng)過優(yōu)化以提供低抖動操作和最小的串?dāng)_。另一個顯著的好處是振蕩器集成了電源噪聲抑制功能，以最大限度地減少板級噪聲對時鐘抖動的影響。

需要什么樣的抖動性能?

時序抖動是一種測量時鐘信號純度的方法。抖動越低，噪音就越小。由于振蕩器通常用作系統(tǒng)的本地“心跳”，因此需要干凈且低抖動的輸出。

抖動是在示波器上的時域中測量的——例如，周期抖動和周期到周期抖動——或者在相位噪聲分析儀的頻域中測量，RMS 相位抖動集成在一個頻帶上，例如 12 kHz至 20 MHz，如圖所示。

圖 ：XO 相位噪聲查找工具。

<250 fs-RMS 的低相位抖動 XO 在高性能應(yīng)用中至關(guān)重要，因為高水平的時鐘抖動會導(dǎo)致無法接受的高誤碼率 (BER)、流量丟失或系統(tǒng)通信丟失。因此，當(dāng)有疑問時，從較低抖動的時鐘源開始總是更安全，以提供更大的抖動余量。在理想情況下，由振蕩器驅(qū)動的應(yīng)用程序或芯片組將提供最大允許抖動規(guī)范以及相應(yīng)的集成頻帶、相位噪聲掩模和雜散要求。在這種情況下，主要考慮的是振蕩器需要多少抖動余量，以允許來自時序路徑下游的緩沖器或其他芯片的任何附加抖動。

另一個考慮因素是一些 XO 數(shù)據(jù)表只宣傳“典型”抖動規(guī)范。它不保證器件在工藝、電壓、溫度和頻率變化方面的性能。通常情況下，硬件設(shè)計人員不會對系統(tǒng)的所有關(guān)鍵組件有一套全面的抖動要求。參考設(shè)計在這種情況下很有幫助，因為設(shè)計的振蕩器已經(jīng)過審查。與提供各種具有不同抖動和成本選項的振蕩器以及幫助您確定最合適的在線工具的供應(yīng)商合作也可能會有所幫助。同樣，當(dāng)有疑問時，從較低抖動的振蕩器開始總是更安全，然后再評估寬松的抖動選項，作為未來降低成本的潛在途徑。

你的頻率會改變嗎?

許多振蕩器應(yīng)用只需要一個單一的固定頻率，例如 156.25 MHz。在其他情況下，振蕩器提供的頻率可能需要改變。例如，12G-SDI 視頻成幀器可能需要在 297 MHz 和 297/1.001 MHz 兩種不同的視頻幀速率之間切換。

在其他時候，可能需要有意添加一個小的頻率偏差作為余量測試的一部分，以對系統(tǒng)級建立和保持時間進(jìn)行壓力測試。也許最常見的是，設(shè)計人員可能還不知道最終設(shè)計將使用哪個頻率，但他們知道他們需要一個振蕩器來提供這個參考。

對于此類應(yīng)用，理想的解決方案是提供多個預(yù)存儲頻率的振蕩器。雙振蕩器和四振蕩器可用于這些應(yīng)用。這些器件的輸出頻率可通過引腳選擇，從而使單個 XO 能夠替代多個振蕩器和一個多路復(fù)用器。如果應(yīng)用需要整數(shù)和小數(shù)時鐘的混合，請選擇在所有目標(biāo)頻率上提供始終如一的低抖動操作的器件。

另一種有用的振蕩器類型是 I 2 C 可編程 XO。這些器件提供最大的頻率靈活性，在寬頻率范圍內(nèi)提供一致的低抖動操作。這些設(shè)備可以即時重新編程，以提供幾乎無限數(shù)量的頻率。

它們對于原型設(shè)計和在數(shù)字 PLL 架構(gòu)中的使用也非常有用，其中主機處理器提供快速數(shù)字反饋機制以允許 XO 鎖定和跟蹤參考信號。

頻率穩(wěn)定性有多重要?

頻率穩(wěn)定性是衡量振蕩器輸出頻率在工作期間由于溫度變化而可能發(fā)生多少變化的量度。如果頻率漂移超出應(yīng)用程序的預(yù)期，則可能會出現(xiàn)時序錯誤。相對于特定溫度范圍內(nèi)的標(biāo)稱頻率，頻率穩(wěn)定性以百萬分之幾或 ppm 表示。

振蕩器在制造過程中使用以不同角度切割的石英晶體來產(chǎn)生不同的溫度響應(yīng)。常見的 XO 溫度穩(wěn)定性等級包括 ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。較低的 ppm 意味著輸出頻率在給定的溫度范圍內(nèi)更穩(wěn)定。

值得注意的是，頻率穩(wěn)定性只是了解振蕩器頻率可能變化多少的一個方面。對潛在頻率偏差的完整測量稱為總穩(wěn)定性，它是隨溫度變化的頻率穩(wěn)定性、25°C 時的初始精度以及特定時間和溫度下的老化的總和。如圖所示，總穩(wěn)定性揭示了振蕩器在其使用壽命期間可能產(chǎn)生的最壞情況下的可能頻率。

圖 ：總穩(wěn)定性的組成部分。

XO 在整個溫度范圍內(nèi)可能具有出色的頻率穩(wěn)定性，但這種測量僅與它在室溫下提供的標(biāo)稱頻率有關(guān)。因此，對于某些器件(例如 SAW 振蕩器)而言，初始精度誤差可能非常大，必須加以考慮。

同樣，石英晶體會在很長一段時間內(nèi)緩慢老化，這會導(dǎo)致輸出頻率緩慢漂移。一些振蕩器供應(yīng)商規(guī)定在25°C時僅老化一年，而較為保守的供應(yīng)商則規(guī)定在更高溫度下老化10年，為長期運行提供更可靠的保證。

老化條件會對振蕩器的總穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，有時會使蘋果與蘋果之間的比較變得困難。如有疑問，在更嚴(yán)格的條件下使用具有保證規(guī)格的計時設(shè)備會更安全，以提供更大的設(shè)計余量。

審核編輯：湯梓紅