盤點(diǎn)振蕩器生成精確時(shí)鐘源的幾種設(shè)計(jì)方案

　　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 - 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，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，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)、無線電通信、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(bǔ)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(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。最常用的晶振包括：

　　● 無補(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)荻O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(duì)電路進(jìn)行微調(diào)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過對(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.