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信息：

皮爾斯晶體 (XO)

壓控振蕩器 (VCXO)

溫補振蕩器 (TCXO)

恒溫振蕩器 (OCXO)

負電阻的重要性

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，它會受到機械擾動，進而產(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 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、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載電容時，由于電容和雜散電容的容差，實際負載電容會與要求的值不同。負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)確度的補償技術(shù)，晶體可以進一步細分為子類別。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?；镜奶匦裕挥挟?dāng)振蕩器終端的負載電容 ( 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的范圍內(nèi)精確跟蹤頻率，例如數(shù)字機頂盒、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?。?，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)定性以及如何補償它們。

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