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选择晶体振荡器必须考虑的5件事…

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-05-12

  时,必须针对输出频率、频率稳定度和温度范围、输出电压和功率、输出波形,以及封装尺寸和外形等各种因进行全盘考虑

  在设计中,大多数的电子系统需要某种振荡器作为关键功能区块。一些典型的用途包括:作为时脉,用于同步操作的数位系统中;用于接收器或发射器的稳定RF讯号;用于精确测量的准确频率参考;或用于精确计时的即时时脉。系统规格以及振荡器必须如何发挥作用,将决定晶体振荡器的大多数参数。

  振荡器中的关键元件是谐振器,它将控制频率,以及确定所能实现的稳定度。尽管采用电感-电容(LC)或电阻-电容(RC)谐振器实现的简单振荡器可满足一些应用的要求,但是添加石英晶体将可大幅地将元件的频率稳定度提高好几个数量级,而且所需的成本通常很小。

  任何振荡器最基本的属性都是它所产生的频率。根据定义,振荡器是接受输入电压(通常为直流电压)并在某一频率下产生重复交流(AC)输出的元件。所需的频率由系统类型以及如何使用该振荡器所决定。

  有些应用需要kHz范围的低频晶体。常见的例子是32.768kHz的手表晶体。 但是大多数的现有应用都需要更高频率的晶体,范围大约从不到10MHz到大于100MHz之间。

  所需的频率稳定度由系统的要求决定。振荡器的稳定度可简单地表述为:由于某些现象引起的频率变化除以中心频率。公式为:

  例如,如果振荡器输出频率为10MHz,而且随温度变化了10Hz,则其温度稳定度为:10/10,000,000 = 1x10-6=1ppm。晶体振荡器的典型稳定度可以在100ppm至0.001ppm之间。频率稳定度通常视应用需求决定,并进而确定所需要的晶体振荡器类型。振荡器必须工作的温度范围是确定可达到稳定度的主要因素。

  简单晶体振荡器(XO): 这是最基本的类型,其稳定度完全由晶体谐振器本身的固有特性决定。 在MHz范围内的较高频率晶体由石英棒制成,其制造方式是即使环境温度在-55℃至+125℃(-67F至 +257F)之间变化,也可提供相对稳定的频率。即使在这么宽的温度范围内,适当切割的石英晶体也可实现25ppm的稳定度。与诸如随温度变化可达1%(10,000ppm)或更高的LC振荡电路等其它被动谐振器相较,晶体振荡器的性能已大幅提升了。但对于某些应用来说,即使25ppm也不够好,因此必须采用额外措施。

  温度补偿晶体振荡器(TCXO): 如果固有频率与石英晶体的温度稳定度无法满足应用要求,就可以采用温度补偿单元。TCXO使用温度感测元件以及产生电压曲线的电路,在整个温度范围内,该电压曲线与晶体的频率变化趋势完全相反,所以可理想地抵消晶体的漂移。根据TCXO的类型和温度范围,TCXO的典型稳定度规范范围为小于0.5ppm至5ppm。

  恒温控制晶体振荡器(OCXO): 对于某些应用,TCXO的频率-温度稳定度指标仍无法满足要求。在这些情况下,可能需要OCXO。顾名思义,具有烤腔的振荡器将晶体加热到更高温度,但仍受控制,使得环境温度即使变化大,晶体的温度也保持稳定。由于晶体的温度和振荡器的敏感部份变化很小,频率-环境温度稳定度得到显着改善。在环境温度范围内,OCXO的稳定度可以达到0.001ppm。然而,这种稳定度的提升是以增加功耗为代价的,将热量提供给烤腔当然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率以维持内部温度。在开机后,还需要等待温度和频率稳定的暖机时间,取决于晶体振荡器的类型,暖机时长通常从1分钟到10多分钟。

  压控晶体振荡器(VCXO): 在一些应用中,期望能够调谐或调整振荡器的频率,以便将其锁相到锁相环(PLL)中的参考,或可能用于调节波形。VCXO透过电子频率控制(EFC)电压输入,提供了这项功能。对于某些专用元件,VCXO的调谐范围规格可能在10ppm到100ppm(甚至更高)。

  TCVCXO和VCOCXO: TCXO或OCXO通常包括EFC输入电压,使其得以进行调整,以便将输出频率精确地校准为标称值。

  任何类型的晶体振荡器通常都可以被设计为利用系统中已有的DC输入供电电压来操作。在数位系统中,通常希望使用电压,以匹配系统中逻辑元件所用的电压;该系统中将驱动振荡器,使其得以直接相容于逻辑电平。+3.3V或+5V是这些数位单元的典型输入。具有较高功率输出的其它元件可以使用较高电压,例如+12V或+15V。另一个考虑因素是为元件供电所需的电流量。XO或TCXO可能只需要几mA,因此在低电压系统中,其功耗可以小于0.01W。另一方面,在上电时,一些OCXO可能需要5W或6W。

  然后要选择输出波形以匹配振荡器将在系统中驱动的负载。最常见的输出之一是CMOS,以驱动逻辑电平输入。CMOS输出将是在接地和系统的Vdd轨之间摆动的方波。对于高于约100MHz的较高频率,通常使用差分方波。这些振荡器具有两个180反相的输出、具有快速上升和下降时间以及非常小的抖动。最通用的类型是LVPECL和LVDS。如果振荡器用于驱动RF元件(如混频器或其它具有50输入阻抗的元件),则通常会指定某个功率级的正弦波输出。尽管如果需要可以输出更高功率,但一般产生的输出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之间。

  取决于振荡器的类型和规格,对于晶体振荡器封装的要求将大相迳庭。简单的时脉振荡器和一些TCXO可以安装在小至1.2×2.5mm2的封装中;而一些OCXO可以大到50×50mm2,对某些特定设计,甚至可以更大。虽然一些通孔封装,如双列直插式4或14接脚类型仍然用于较大的元件(如OCXO或专用TCXO),但目前大多数的设计都使用表面黏着封装。这些表面黏着配置可以是密封的陶瓷封装,或是基于FR-4、具有用于I/O建构的元件。

  如上所述,当选定晶体振荡器时,有许多不同的选择必须考虑。然而,透过检查使用晶体振荡器的系统,最方便的选择将变得显而易见;例如可用于为晶体振荡器供电的输入电压以及振荡器的输出将驱动的元件类型等因素。还必须考虑应用的其它限制条件,例如实体尺寸和操作环境。除了这些基本参数之外,针对特定应用,还有许多其它规格必须加以以考量。当全盘考虑这些因素后,将会找到一款满足系统要求的晶体振荡器。

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