由振蕩器生成精確時(shí)鐘源的設(shè)計(jì)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(wú)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(lèi)數(shù)字系統(tǒng)正常運(yùn)行的要素是實(shí)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(shí)鐘信號(hào)。因此，我們始終需要一種源頭來(lái)生成這種時(shí)鐘信號(hào)。

信號(hào)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(shí)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?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)并且滿(mǎn)足對(duì)精度、信號(hào)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(shí)間下生成精確時(shí)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(lèi)型的晶體振蕩器

本文后續(xù)部分將包含設(shè)計(jì)并且提供有關(guān)以下方面的詳細(xì)說(shuō)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(wú)需輸入即可生成重復(fù)信號(hào)的電路都可以稱(chēng)為振蕩器。簡(jiǎn)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(jì)振蕩器時(shí)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(shuō)，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(lì)時(shí)，電路中的唯一信號(hào)是噪聲。由于正反饋機(jī)制，符合振蕩頻率與相位條件的噪聲分量會(huì)在系統(tǒng)中傳播并且幅度不斷增大。信號(hào)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(dòng)增益控制(AGC)單元的限制。建立振蕩所需時(shí)間取決于多種因素，如：噪聲信號(hào)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(shí)間范圍內(nèi)的精度與準(zhǔn)確度而言，石英振蕩器是首選，因?yàn)槠渚哂懈逹(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(shí)間范圍內(nèi)達(dá)到更高的穩(wěn)定性。

石英振蕩器

石英晶體振蕩器的最大賣(mài)點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生機(jī)械攝動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生特定頻率(又稱(chēng)為共振頻率)的電壓信號(hào)。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(dòng)生電感、動(dòng)生電容與動(dòng)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?xún)蓚€(gè)共振頻率運(yùn)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(chēng)為操作基頻。

圖3:共振器電抗與頻率

圖3說(shuō)明晶振的電抗與頻率曲線(xiàn)。在遠(yuǎn)離fp的頻率時(shí)，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(duì)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(chǎng)、濕度、電源電壓與震動(dòng)。下面介紹某些重要因素：

時(shí)間造成的不穩(wěn)定

時(shí)間造成的不穩(wěn)定可以分為兩類(lèi) - 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(zhǎng)期系統(tǒng)性變化。不過(guò)，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(shí)(如：DTV、機(jī)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(jī)性，往往可以定義為噪聲。

老化 - 有多重因素會(huì)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(dòng)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(guò)，在理想系統(tǒng)中，隨機(jī)噪聲或閃爍噪聲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(kāi)始增大，有可能達(dá)到幾十ppm.

計(jì)算等應(yīng)用可以承受這一點(diǎn)。但是對(duì)于導(dǎo)航、雷達(dá)、無(wú)線(xiàn)電通信、衛(wèi)星通信等對(duì)準(zhǔn)確度與精度要求極高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，則無(wú)法接受這種巨大變化。因此，此類(lèi)應(yīng)用需要在系統(tǒng)中添加額外的補(bǔ)償元件(參見(jiàn)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(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性。為了實(shí)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(huì)造成可調(diào)諧振蕩器很難實(shí)現(xiàn)更高的頻率穩(wěn)定性，因?yàn)樨?fù)載電抗會(huì)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(shí)，電容器與雜散電容的容差會(huì)導(dǎo)致實(shí)際負(fù)載電容偏離所需值。負(fù)載電容的這種變化也會(huì)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(dòng)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(shí)際電容。

Q因子

Q因子可確定共振器儲(chǔ)存的能量(L與C儲(chǔ)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(shì)如下：

● 采用更高Q因子可以降低相位噪聲，因?yàn)橄辔辉肼晫?duì)晶振的Q因子有很強(qiáng)的依賴(lài)性。這樣可以提高頻率穩(wěn)定性。

● 更高Q因子的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是縮小帶寬。

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

晶體振蕩器的類(lèi)型

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

● 無(wú)補(bǔ)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(bǔ)償晶體振蕩器(XO)

如前所述，此類(lèi)振蕩器隨溫度可出現(xiàn)巨大變化 - 數(shù)量級(jí)達(dá)到±15ppm.對(duì)于不需要非常精確的時(shí)鐘的應(yīng)用而言，無(wú)補(bǔ)償晶體振蕩器是不錯(cuò)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常基本的特性 - 即只有振蕩器端子的負(fù)載電容(CL)與通常稱(chēng)為CL_NOM的特定值(一般由晶振制造商提供)匹配時(shí)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(shí)它才以25MHz進(jìn)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(shí)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(jī)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(shí)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(guò)改變二極管上的電壓來(lái)控制振蕩的頻率并且對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)對(duì)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(shí)可以改變振蕩的頻率(參見(jiàn)圖3 -fs與fp之間的區(qū)域)。TCXO采用溫度傳感器測(cè)量溫度并且為變?nèi)荻O管提供一個(gè)糾正信號(hào)，以補(bǔ)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(dá)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(gè)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(jí)可達(dá)0.001ppm.