關(guān)于晶振及其典型應(yīng)用的探討

　　一、晶振介紹

　　石英晶振是石英晶體諧振器和石英晶體時(shí)鐘振蕩器的統(tǒng)稱(chēng)，它是一種用于穩(wěn)定頻率和選擇頻率的電子元件，可分無(wú)源晶振和有源晶振兩種類(lèi)型。

　　(1) 無(wú)源晶振為Crystal(晶體)。

　　其必須借助外部的有源激勵(lì)和振蕩電路才能起振，振蕩頻率主要取決于晶體的切割方式，外部振蕩電路也部分影響著振蕩頻率的精度。振蕩電路中包含兩個(gè)Trim電容，由于電容的精度一般比較低，因此即便是完全相同的電路圖，振蕩頻率的頻偏也可能存在一定的差別。

　　(2) 有源晶振Oscollator(振蕩器)

　　它是將振蕩電路和晶體集成在一個(gè)封裝內(nèi)，加電即可輸出時(shí)鐘信號(hào)，頻率精度較高，價(jià)格也略高。

　　常用的晶振的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　(1) 基準(zhǔn)頻率：晶振在完全理想條件下的振蕩頻率。

　　(2) 工作電壓：晶振的工作需要外部提供一定的電源電壓，晶振輸出的時(shí)鐘信號(hào)上的噪聲與電源再說(shuō)緊密相關(guān)，因此在晶振器件資料上，對(duì)電源的質(zhì)量有一定的要求。

　　(3) 輸出電平：晶振與晶體相比，最為突出的一點(diǎn)就是只要上電，就直接輸出時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)的電平也多種多樣，支持的電平主要包括：TTL、CMOS、HCMOS、LVCOMS、LVPECL、LVDS等。在選型中，應(yīng)根據(jù)所需時(shí)鐘電平的種類(lèi)選擇相應(yīng)的晶振。

　　(4) 工作溫度范圍：根據(jù)環(huán)境溫度要求的不同，應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)的工作溫度范圍。

　　(5) 頻率精度：對(duì)應(yīng)不同的工作溫度范圍，可選擇不同的頻率精度。以±15ppm@-20~70℃為例，其含義是，在-20~70℃溫度范圍內(nèi)，該晶振輸出頻率相對(duì)基準(zhǔn)頻率的偏差不會(huì)超過(guò)15ppm。該參數(shù)是晶振的重要參數(shù)，包含了由于溫度變化、電源電壓波動(dòng)、負(fù)載變化等因素引起的頻率偏差。

　　(6) 老化度：在恒定的外接條件下測(cè)量晶振頻率，頻率精度與時(shí)間之間的關(guān)系。

　　(7) 啟動(dòng)時(shí)間：從上電到晶振輸出頻率的偏差達(dá)到規(guī)定的頻率精度所需要的時(shí)間。

　　(8) 時(shí)鐘抖動(dòng)(Jitter)：在后面內(nèi)容詳細(xì)介紹。

　　(9) 相位噪聲：在后面內(nèi)容詳細(xì)介紹。

　　有源晶振的類(lèi)型包括以下幾類(lèi)：

　　(1) 普通封裝晶體振蕩器(SPXO)

　　它無(wú)溫度補(bǔ)償功能，也無(wú)電壓控制功能，其頻率特性完全取決于晶體以及外部振蕩電路。標(biāo)準(zhǔn)頻率為1~100MHz，頻率精度最高可達(dá)±10ppm。由于SPXO不包含任何頻率補(bǔ)償功能，因此是晶振中精度最差的一個(gè)種類(lèi)，價(jià)格低廉，通常作為微處理器的時(shí)鐘器件。在PCB布局時(shí)，SPXO器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱源。

　　(2) 壓控式晶體振蕩器(VCXO)

　　VCXO是通過(guò)外部施加控制電壓時(shí)振蕩頻率可調(diào)的晶體振蕩器。它的特點(diǎn)：輸出頻率可以通過(guò)輸入電壓控制，一般控制范圍為±50~±200ppm。工作原理：通過(guò)改變外加調(diào)整電壓的大小，能改變?nèi)菪载?fù)載CL的值，從而實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整。由于VCXO的具有振蕩頻率可調(diào)整的特點(diǎn)，所以用頻率—溫度穩(wěn)定度來(lái)定義環(huán)境溫度變化對(duì)頻偏的影響。由于VCXO不具備溫度補(bǔ)償功能，因此在PCB布局時(shí)，VCXO器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱源。VCXO除了電源電源外，還需要控制電壓，以調(diào)整輸出頻率，當(dāng)控制電壓調(diào)整為中央電壓時(shí)，VCXO輸出標(biāo)稱(chēng)的基準(zhǔn)頻率。VCXO常用在鎖相環(huán)電路中。

　　(3) 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)

　　TCXO是利用附件的溫度補(bǔ)償電路以減少環(huán)境溫度對(duì)振蕩頻率的影響，其特點(diǎn)是頻率精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SPXO和VCXO。工作原理：利用熱敏電阻的溫度敏感性，當(dāng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值和容性負(fù)載同時(shí)發(fā)生變化，而容性負(fù)載的變化會(huì)改變振蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩頻率的修正。

　　(4) 恒溫晶體振蕩器(OCXO)

　　將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。頻率精度為10-10~10-8量級(jí)。頻率穩(wěn)定度在四種類(lèi)型振蕩器中最高。

　　不同的特性決定了四種類(lèi)型晶振的應(yīng)用場(chǎng)合：如果需要設(shè)備即開(kāi)即用，需選用SPXO、VCXO和TCXO。OCXO晶振需要一定的穩(wěn)定時(shí)間。如果要求時(shí)鐘信號(hào)較高的穩(wěn)定度，推薦使用TCXO和OCXO。

　　二、兩個(gè)重要概念：時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲。

　　數(shù)字信號(hào)的各個(gè)有效邊沿相對(duì)于其理想位置都存在一定的偏離，對(duì)于其中的短期性偏離(頻率在10Hz以上的偏離)，使用時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲參數(shù)來(lái)定義;對(duì)于其中的長(zhǎng)期性偏離(頻率在10Hz以?xún)?nèi)的偏離)，使用漂移來(lái)定義。其中漂移容易被CDR(Clock Data Recovery，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路)等模塊濾除。時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量通常用抖動(dòng)和相位噪聲來(lái)描述。時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲的區(qū)別在于：時(shí)鐘抖動(dòng)是時(shí)域的概念;相位噪聲是頻域的概念。時(shí)鐘抖動(dòng)通常分為時(shí)間間隔誤差(Time Interval Error，簡(jiǎn)稱(chēng)TIE)、周期抖動(dòng)和相鄰周期抖動(dòng)。以下重點(diǎn)討論周期抖動(dòng)和相位噪聲的關(guān)系。

　　1、時(shí)鐘抖動(dòng)

　　周期抖動(dòng)(JPER)是實(shí)測(cè)周期與理想周期之間的時(shí)間差。由于具有隨機(jī)分布的特點(diǎn)，可以用峰-峰值或均方根(RMS)描述。首先定義門(mén)限VTH的時(shí)鐘上升沿位于時(shí)域的TPER(n)，其中n是一個(gè)時(shí)域系統(tǒng)，如圖1所示。JPER表示為：

　　其中T0是理想時(shí)鐘周期。由于時(shí)鐘頻率固定，隨機(jī)抖動(dòng)JPER的均值應(yīng)該為零，JPER的RMS可表示為：

　　圖1 周期抖動(dòng)測(cè)量

　　利用示波器的邊沿觸發(fā)和余輝功能，可以粗略的測(cè)量信號(hào)的抖動(dòng)。使用該方法的測(cè)量并不具有實(shí)際意義。原因：(1)隨著測(cè)量時(shí)間的增加，測(cè)得的抖動(dòng)值將不斷增加，即利用這種測(cè)量方法，無(wú)法得到確定的抖動(dòng)值;(2)即使能得到確定的抖動(dòng)值，這樣的值對(duì)電路設(shè)計(jì)也沒(méi)有任何指導(dǎo)意義，只能粗略判斷所使用的晶振的抖動(dòng)情況。