由振蕩器生成精確時鐘源的設(shè)計方案

數(shù)字邏輯已經(jīng)成為當(dāng)今所有電子電路的核心，無論是FPGA、微控制器、微處理器還是分立邏輯。數(shù)字系統(tǒng)采用必須互連在一起以執(zhí)行所需功能的眾多組件。確保此類數(shù)字系統(tǒng)正常運行的要素是實現(xiàn)所有數(shù)字組件之間通信以及在其之間建立同步的時鐘信號。因此，我們始終需要一種源頭來生成這種時鐘信號。

信號源采用振蕩器的形式。雖然當(dāng)今大多數(shù)微控制器具有集成RC振蕩器，但是這種內(nèi)部RC振蕩器生成的時鐘質(zhì)量往往不足以支持與系統(tǒng)中其它模塊通信所需要的精度。因此，需要采用能夠為整個系統(tǒng)提供時鐘信號并且滿足對精度、信號完整性與穩(wěn)定性等一切要求的外部振蕩器。

本文主要介紹在各種溫度和時間下生成精確時鐘的振蕩器的不同方面。所涵蓋的主題包括：

振蕩器 - 振蕩的基本標(biāo)準(zhǔn)

● 石英晶體振蕩器

● Q因子及其重要性

● 不同類型的晶體振蕩器

本文后續(xù)部分將包含設(shè)計并且提供有關(guān)以下方面的詳細(xì)說明：

● 皮爾斯晶體振蕩器(XO)

● 電壓控制振蕩器(VCXO)

● 溫度控制振蕩器(TCXO)

● 恒溫振蕩器(OCXO)

● 負(fù)電阻的重要性

什么是振蕩器?

在電子學(xué)中，任何無需輸入即可生成重復(fù)信號的電路都可以稱為振蕩器。簡而言之，振蕩器把DC能量轉(zhuǎn)換成預(yù)期頻率的AC能量。振蕩頻率取決于設(shè)計振蕩器時所采用的元件的常數(shù)。振蕩器電路一般采用具有正反饋的放大器;為了維持振蕩，電路必須遵守巴克豪森標(biāo)準(zhǔn);也就是說，閉環(huán)振蕩系統(tǒng)的增益必須是整數(shù)，而圍繞環(huán)路的相移必須為2nπ，其中‘n’可以是任何整數(shù)，如圖1所示。

圖1:閉環(huán)振蕩系統(tǒng)

在最初激勵時，電路中的唯一信號是噪聲。由于正反饋機制，符合振蕩頻率與相位條件的噪聲分量會在系統(tǒng)中傳播并且幅度不斷增大。信號幅度不斷增大，直到受到有源元件自身內(nèi)部特性或者外部自動增益控制(AGC)單元的限制。建立振蕩所需時間取決于多種因素，如：噪聲信號的幅度與環(huán)路的增益等等。

有各種振蕩器可以用于建立振蕩，如：RC振蕩器、LC振蕩器與石英振蕩器。但是，就一定溫度與時間范圍內(nèi)的精度與準(zhǔn)確度而言，石英振蕩器是首選，因為其具有高Q(104 ~106范圍內(nèi)，相比之下LC為102,后文詳述)，這有助于在溫度與時間范圍內(nèi)達到更高的穩(wěn)定性。

石英振蕩器

石英晶體振蕩器的最大賣點是能夠在各種負(fù)載與溫度條件下產(chǎn)生恒定頻率。在石英晶體振蕩器中，當(dāng)把電壓源施加到晶體，其會產(chǎn)生機械攝動，進而產(chǎn)生特定頻率(又稱為共振頻率)的電壓信號。所產(chǎn)生的頻率取決于晶體的形狀與大小，因此晶體在切割之后就不能再用于任何其它頻率。晶體越薄，則共振頻率越高。

晶振的等效電路：

石英晶體可以建模為如圖2所示的LCR電路。

圖2:晶振的等效電路

其中，Lm、Cm與Rm分別是晶振的動生電感、動生電容與動生電阻，而Cs是晶振的電氣連接形成的分流電容。石英振蕩器以兩個共振頻率運行：Ls與Cs的串聯(lián)共振形成的串聯(lián)共振頻率(fs)、Ls的并聯(lián)共振以及Cs與Cp串聯(lián)組合形成的并聯(lián)共振頻率(fp)。并聯(lián)共振頻率又稱為操作基頻。

圖3:共振器電抗與頻率

圖3說明晶振的電抗與頻率曲線。在遠離fp的頻率時，晶振顯示出電容性。在fs與fp之間的區(qū)域，其顯示出電感性。fs與fp之間的區(qū)域是晶振的正常操作范圍。振蕩器與穩(wěn)定性：

對振蕩器而言，有許多因素影響到系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，如：老化、噪聲、溫度、保持電路、可保持性、磁場、濕度、電源電壓與震動。下面介紹某些重要因素：

時間造成的不穩(wěn)定

時間造成的不穩(wěn)定可以分為兩類 - 老化與短期的不穩(wěn)定性。老化是由于振蕩器內(nèi)部變化造成的頻率的長期系統(tǒng)性變化。不過，雖然這種頻率變化只有幾PPM,但是其涉及需要精確頻率的系統(tǒng)時(如：DTV、機頂盒等)則至關(guān)重要。相反，短期的不穩(wěn)定性本質(zhì)上具有隨機性，往往可以定義為噪聲。

老化 - 有多重因素會造成老化，如：質(zhì)量轉(zhuǎn)移、晶體受到的應(yīng)力、熱膨脹、安裝受力、鍵合單元、晶振的驅(qū)動電平以及DC偏置。

短期噪聲 - 理想振蕩器的輸出是完美的正弦波。不過，在理想系統(tǒng)中，隨機噪聲或閃爍噪聲會導(dǎo)致信號的相位偏移，從而造成頻率為了保持2nπ相位條件而發(fā)生改變。相位斜率dφ/df與QL成正比，必須保持高值，以確保最高的頻率穩(wěn)定性。為了維持高相位斜率，Cm 應(yīng)當(dāng)盡可能小。因此，fs與fp之間電抗/頻率的斜率越大，則頻率穩(wěn)定性越高。

溫度造成的不穩(wěn)定

晶振的共振頻率在室溫下變化很小。但是，隨著升至極端溫度，額定頻率的變化開始增大，有可能達到幾十ppm.

計算等應(yīng)用可以承受這一點。但是對于導(dǎo)航、雷達、無線電通信、衛(wèi)星通信等對準(zhǔn)確度與精度要求極高的應(yīng)用來說，則無法接受這種巨大變化。因此，此類應(yīng)用需要在系統(tǒng)中添加額外的補償元件(參見下文)。

可調(diào)諧性造成的不穩(wěn)定

使振蕩器在較寬的頻率范圍內(nèi)具有可調(diào)諧性會導(dǎo)致不穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)可調(diào)諧性，需要采用濾波器消除多余的頻率模式。但是，這樣會造成可調(diào)諧振蕩器很難實現(xiàn)更高的頻率穩(wěn)定性，因為負(fù)載電抗會受到濾波器中使用的變抗器的雜散電容與電感的影響。

保持電路造成的不穩(wěn)定

當(dāng)在晶振中增加外部負(fù)載電容器時，電容器與雜散電容的容差會導(dǎo)致實際負(fù)載電容偏離所需值。負(fù)載電容的這種變化也會造成頻率改變。其可從下式求出：

其中，

Cm 是晶振數(shù)據(jù)表中指定的晶振動生電容;

CS 是晶振數(shù)據(jù)表中指定的晶振分流電容;

CL_NOM 是晶振數(shù)據(jù)表中指定的負(fù)載電容;

CL 是晶振端子之間的實際電容。

Q因子

Q因子可確定共振器儲存的能量(L與C儲存的能量)與損失的能量(R中消耗的能量)之比。采用更高Q因子的部分優(yōu)勢如下：

● 采用更高Q因子可以降低相位噪聲，因為相位噪聲對晶振的Q因子有很強的依賴性。這樣可以提高頻率穩(wěn)定性。

● 更高Q因子的另一個優(yōu)勢是縮小帶寬。

● Q因子與從激勵到衰減的時間成正比。因此，Q因子越高，衰減時間越長。衰減時間與環(huán)路增益共同有助于縮短晶振的啟動時間。

晶體振蕩器的類型

根據(jù)用于實現(xiàn)更高精度與準(zhǔn)確度的補償方法，晶振可以分為四類。最常用的晶振包括：

● 無補償晶體振蕩器 - XO

● 電壓控制晶體振蕩器 - VCXO

● 溫度控制晶體振蕩器 - TCXO

● 恒溫振蕩器 - OCXO

補償晶體振蕩器(XO)

如前所述，此類振蕩器隨溫度可出現(xiàn)巨大變化 - 數(shù)量級達到±15ppm.對于不需要非常精確的時鐘的應(yīng)用而言，無補償晶體振蕩器是不錯的選擇。

電壓控制晶體振蕩器(VCXO)

電壓控制晶體振蕩器采用晶振非?；镜奶匦?- 即只有振蕩器端子的負(fù)載電容(CL)與通常稱為CL_NOM的特定值(一般由晶振制造商提供)匹配時才以指定頻率共振。例如，如果晶振標(biāo)為25Mhz與14pF,其意味著只有振蕩器端子提供的CL為14pF時它才以25MHz進行誤差為0PPM的共振。從式1可以看出CL增高可以降低頻率的PPM誤差。如果CL > CL_NOM,則ppm變成-ve,其意味著晶振將以低于中心頻率的頻率共振。而CL

晶體振蕩器的這種特性在VCXO中得以實現(xiàn)，其需要在非常小的范圍內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤頻率，比如用于數(shù)字機頂盒、DTV等。VCXO采用連接到其輸入端子的附加變?nèi)荻O管(或者在振蕩器端子改變CL的任何其它手段，如：有時候采用數(shù)字控制的電容陣列)。此二極管以反向偏置模式連接，而且在其之上施加外部電壓。由于變?nèi)?strong>二極管的特性，其電容隨施加的電壓產(chǎn)生變化(即：隨反向偏置電壓的增高而降低)，而振蕩器輸入端的CL也同樣如此。因此，我們可以通過改變二極管上的電壓來控制振蕩的頻率并且對電路進行微調(diào)。在實際應(yīng)用中，可以通過對比輸出頻率和預(yù)期頻率而生成誤差電壓。

溫度控制振蕩器(TCXO)

TCXO的工作原理與VCXO相同 - 當(dāng)晶振串聯(lián)電抗組件(電容器或電感器)時可以改變振蕩的頻率(參見圖3 -fs與fp之間的區(qū)域)。TCXO采用溫度傳感器測量溫度并且為變?nèi)荻O管提供一個糾正信號，以補償頻率中的變化。

圖4: TCXO的方框圖

圖4顯示了TCXO的方框圖。采用此方法可以達到0.1ppm的精度。

恒溫振蕩器

在這種構(gòu)造中，晶振和其它溫度敏感組件都放置于一個溫度控制室(恒溫箱)，其調(diào)節(jié)到晶振的頻率/溫度斜率為0的溫度。這樣，振蕩器就能夠在溫度方面獲得最高的穩(wěn)定性，數(shù)量級可達0.001ppm.