振蕩器：如何生成精確的時鐘源？

振蕩器：如何生成精確的時鐘源？

在當(dāng)今時代，數(shù)字邏輯已成為所有電子電路的核心，無論是 FPGA、微控制器、微處理器還是離散邏輯。數(shù)字系統(tǒng)使用許多組件，這些組件必須相互連接才能執(zhí)行所需的功能。這種數(shù)字系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵要素是時鐘信號，它使所有這些數(shù)字組件能夠進(jìn)行通信并在它們之間建立同步。因此，我們總是需要一個源來產(chǎn)生這個時鐘信號。

該源以振蕩器的形式出現(xiàn)。盡管當(dāng)今大多數(shù)微控制器都集成了 RC 振蕩器，但這種內(nèi)部 RC 振蕩器生成的時鐘通常不足以支持與系統(tǒng)中其他模塊通信所需的精度。因此，需要一個外部振蕩器來為整個系統(tǒng)提供時鐘信號，同時滿足精度、信號完整性和穩(wěn)定性的所有要求。

本文重點介紹振蕩器的各個方面，以便在溫度和時間范圍內(nèi)產(chǎn)生準(zhǔn)確的時鐘。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

振蕩器和穩(wěn)定性

Q 因子及其重要性

不同類型的晶振

本文的后續(xù)部分將介紹設(shè)計并提供以下方面的更多詳細(xì)信息：

皮爾斯晶體 (XO)

壓控振蕩器 (VCXO)

溫補(bǔ)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，任何能夠在沒有任何輸入的情況下產(chǎn)生重復(fù)信號的電路都可以稱為振蕩器。簡而言之，振蕩器將直流能量轉(zhuǎn)換為所需頻率的交流能量。該振蕩頻率由用于設(shè)計振蕩器的那些元件的常數(shù)決定。振蕩電路一般采用正反饋放大器；為了維持振蕩，電路必須遵守巴克豪斯標(biāo)準(zhǔn)；即閉環(huán)振蕩系統(tǒng)的增益必須為1，繞環(huán)的相移必須為2nπ，其中n可以是任意整數(shù)，如圖1所示。

最初通電時，電路中的唯一信號是噪聲。由于正反饋機(jī)制，滿足振蕩頻率和相位條件的噪聲分量以增加的幅度在系統(tǒng)周圍傳播。信號的幅度會增加，直到它受到有源元件本身的內(nèi)部特性或外部自動增益控制 (AGC) 單元的限制。建立振蕩所需的時間取決于多種因素，例如噪聲信號的幅度和環(huán)路的增益等。

有多種類型的振蕩器可用于建立振蕩，包括 RC 振蕩器、LC 振蕩器和石英振蕩器。但是當(dāng)涉及溫度和時間的精度和準(zhǔn)確度時，首選石英振蕩器，因為它們的 Q 值高（在 10 4到 10 6的范圍內(nèi)，而 LC 的范圍為10 2，本文稍后將詳細(xì)討論），這有助于在溫度和時間范圍內(nèi)實現(xiàn)更好的穩(wěn)定性。

石英晶體振蕩器

石英晶體振蕩器的最大賣點是它們能夠在變化的負(fù)載和溫度條件下產(chǎn)生恒定頻率。在石英晶體振蕩器中，當(dāng)向晶體施加電壓源時，它會受到機(jī)械擾動，進(jìn)而產(chǎn)生特定頻率的電壓信號，也稱為諧振頻率。產(chǎn)生的頻率取決于晶體的形狀和大小，因此一旦切割的晶體不能用于任何其他頻率。晶體越薄，諧振頻率越高。

晶體等效電路：

石英晶體可以建模為 LCR 電路，如圖 2 所示。

這里，Lm、Cm 和 Rm 分別是晶體的運動電感、運動電容和運動電阻，Cs 是由于與晶體的電連接而形成的并聯(lián)電容。石英振蕩器工作在兩個諧振頻率：由 Ls 和 Cs 的串聯(lián)諧振形成的串聯(lián)諧振 (f s )，以及由 Ls 的并聯(lián)諧振和 Cs 和 Cp 的串聯(lián)組合形成的并聯(lián)諧振 (f p )。并聯(lián)諧振頻率也稱為工作基頻。

圖 3 顯示了晶體的電抗 v/s 頻率曲線。在遠(yuǎn)離 f p的頻率處，晶體呈現(xiàn)電容性。在 f s和 f p之間，它看起來是歸納的。f s和 f p之間的區(qū)域是晶體的通常工作范圍。

振蕩器和穩(wěn)定性

就振蕩器而言，影響系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的因素有很多，例如老化、噪聲、溫度、維持電路、耐久性、磁場、濕度、電源電壓和沖擊。下面討論其中一些重要因素：

時間引起的不穩(wěn)定性時間引起的

不穩(wěn)定性可以細(xì)分為兩類——老化和短期不穩(wěn)定性。老化是由于振蕩器內(nèi)部變化而在很長一段時間內(nèi)觀察到的頻率的系統(tǒng)性變化。然而，雖然這種頻率變化只是幾個 PPM，但在處理具有精確頻率要求的系統(tǒng)（例如 DTV、機(jī)頂盒等）時，它可能非常重要。相比之下，短期不穩(wěn)定性本質(zhì)上是隨機(jī)的，并且通?？梢苑Q為噪聲。

老化- 有多種因素會導(dǎo)致老化，如傳質(zhì)、晶體上的應(yīng)力、熱膨脹、安裝力、鍵合元件、晶體的驅(qū)動電平和直流偏置。

短期噪聲——理想振蕩器的輸出是完美的正弦波。然而，在理想系統(tǒng)中，由于隨機(jī)噪聲或閃爍噪聲，會出現(xiàn)信號相位偏差，從而導(dǎo)致頻率發(fā)生變化以保持 2nπ 相位條件。相位斜率 dφ/df 與 Q L成正比，并且必須很高才能獲得最大的頻率穩(wěn)定性。為了使相位斜率高，C m應(yīng)該最小化。因此，f s和 f p之間的電抗 v/s 頻率的斜率越陡，頻率穩(wěn)定性越好。

       溫度不穩(wěn)定

晶體諧振頻率的變化在室溫下是最小的。然而，隨著溫度向極端變化，標(biāo)稱頻率的變化開始增加，可能高達(dá) ppm 的十分之幾。這對于計算等應(yīng)用程序是可以接受的。在導(dǎo)航、雷達(dá)、無線電通信、衛(wèi)星通信等應(yīng)用中，精度和精度是至關(guān)重要的，如此巨大的變化是不可接受的。因此，對于此類應(yīng)用，系統(tǒng)中需要額外的補(bǔ)償元件（見下文）。

由于可調(diào)性導(dǎo)致的不穩(wěn)定性

使振蕩器在很寬的頻率范圍內(nèi)可調(diào)諧會導(dǎo)致不穩(wěn)定。為了實現(xiàn)可調(diào)諧性，濾波器用于抑制不需要的頻率模式。然而，這使得可調(diào)諧振蕩器難以實現(xiàn)更高的頻率穩(wěn)定性，因為負(fù)載電抗受到濾波器中使用的變?nèi)荻O管的雜散電容和電感的影響。

維持電路造成的不穩(wěn)定性當(dāng)在晶振中添加外部負(fù)載電容時，由于電容和雜散電容的容差，實際負(fù)載電容會與要求的值不同。負(fù)載電容的這種變化也會引起頻率的變化。它可以通過以下方式給出：

Cm:晶體的運動電容，在晶體數(shù)據(jù)表中指定

Cs:晶體的并聯(lián)電容 ，在晶體數(shù)據(jù)表中指定

CL：晶體數(shù)據(jù)表中指定的負(fù)載電容

CL：跨晶體端子的實際電容

Q因子

Q 因子提供了存儲在諧振器中的能量（存儲在 L 和 C 中的能量）與損失的能量（消耗在 R 中）的比率。具有較高 Q 值的一些優(yōu)點如下：

Q 越高，相位噪聲就越低，因為相位噪聲對晶體的 Q 有很強(qiáng)的依賴性。這將導(dǎo)致更好的頻率穩(wěn)定性。

更窄的帶寬是更高 Q 的另一個優(yōu)勢。

Q 與激發(fā)衰減的時間成正比。因此，較高的 Q 將增加衰減時間。衰減時間和環(huán)路增益有助于減少晶體啟動時間。

晶振的種類

基于用于實現(xiàn)更高精確度和準(zhǔn)確度的補(bǔ)償技術(shù)，晶體可以進(jìn)一步細(xì)分為子類別。一些最常用的是：

振蕩器——XO

壓控晶體振蕩器——VCXO

溫補(bǔ)振蕩器——TCXO

恒溫振蕩器 – OCXO

如上所述，此類振蕩器具有巨大的變化，在整個溫度范圍內(nèi)大約為+ 15ppm。對于不需要非常精確時鐘的應(yīng)用，無補(bǔ)償振蕩器可能是一個很好的選擇。

壓控晶體振蕩器 (VCXO)

壓控晶體振蕩器使用晶體的非?；镜奶匦?，只有當(dāng)振蕩器終端的負(fù)載電容 ( CL ) 與通常稱為 C L_NOM 的某個值（通常由晶體制造商提供）匹配時，它才會在其指定頻率下諧振. 例如，如果一個晶體被識別為 25Mhz 和 14pF，這意味著只有當(dāng)振蕩器終端提供的 C L為 14pF 時，它才能以 25Mhz 諧振，誤差為 0PPM。從等式 1 可以得出，增加 C L會降低頻率的 PPM 誤差。如果 C L > C L_NOM, ppm 將變?yōu)?–ve，這意味著晶體將以低于其中心頻率的頻率諧振。使C L < C L_NOM會產(chǎn)生相反的效果。但是，振蕩頻率通常只能改變幾百萬分之幾，因為晶體的高 Q 因子只允許在很小的頻率范圍內(nèi)“拉動” . 然而，當(dāng)需要非常精細(xì)地調(diào)整操作頻率時，即使是十分之幾 ppm 也非常有用。

晶體振蕩器的這一特性在 VCXO 中實現(xiàn)，其中需要在非常精細(xì)的范圍內(nèi)精確跟蹤頻率，例如數(shù)字機(jī)頂盒、DTV 等。VCXO 使用連接到其輸入端的附加變?nèi)荻O管（或在振蕩器終端改變 C L的任何其他方式；即，有時是可以數(shù)字控制的電容陣列）。二極管以反向偏置模式連接，并在其兩端施加外部電壓。由于變?nèi)荻O管的特性，其電容隨外加電壓而變化（即隨反向偏置電壓的增加而減小），因此 C L在振蕩器輸入端。因此，通過改變二極管兩端的電壓，我們可以控制振蕩頻率并微調(diào)電路。在實際應(yīng)用中，這個誤差電壓可以通過比較輸出頻率和預(yù)期頻率來產(chǎn)生。

溫補(bǔ)振蕩器 (TCXO)

TCXO 的工作原理與 VCXO 相同，當(dāng)將電抗元件（電容器或電感器）串聯(lián)到晶體中時，可以改變振蕩頻率（參見圖 3 – f s和 f之間的區(qū)域)。TCXO 使用溫度傳感器測量溫度并將校正信號施加到變?nèi)荻O管以補(bǔ)償頻率變化。

恒溫控制振蕩器

在這種配置中，晶體和其他溫度敏感元件被放置在溫度控制室中，該室被調(diào)整到晶體頻率與溫度的斜率為零的溫度。這種振蕩器可以在溫度方面獲得最佳穩(wěn)定性，大約為 0.001ppm。

本文討論了系統(tǒng)中精確和準(zhǔn)確時鐘要求的重要性，以及石英晶體振蕩器如何非常適合此類應(yīng)用。它深入探討并進(jìn)一步探討了晶體振蕩器可能發(fā)生的各種不同類型的不穩(wěn)定性以及如何補(bǔ)償它們。

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