關(guān)于晶振及其典型應用的探討

　　一、晶振介紹

　　石英晶振是石英晶體諧振器和石英晶體時(shí)鐘振蕩器的統稱(chēng)，它是一種用于穩定頻率和選擇頻率的電子元件，可分無(wú)源晶振和有源晶振兩種類(lèi)型。

　　(1) 無(wú)源晶振為Crystal(晶體)。

　　其必須借助外部的有源激勵和振蕩電路才能起振，振蕩頻率主要取決于晶體的切割方式，外部振蕩電路也部分影響著(zhù)振蕩頻率的精度。振蕩電路中包含兩個(gè)Trim電容，由于電容的精度一般比較低，因此即便是完全相同的電路圖，振蕩頻率的頻偏也可能存在一定的差別。

　　(2) 有源晶振Oscollator(振蕩器)

　　它是將振蕩電路和晶體集成在一個(gè)封裝內，加電即可輸出時(shí)鐘信號，頻率精度較高，價(jià)格也略高。

　　常用的晶振的技術(shù)指標如下：

　　(1) 基準頻率：晶振在完全理想條件下的振蕩頻率。

　　(2) 工作電壓：晶振的工作需要外部提供一定的電源電壓，晶振輸出的時(shí)鐘信號上的噪聲與電源再說(shuō)緊密相關(guān)，因此在晶振器件資料上，對電源的質(zhì)量有一定的要求。

　　(3) 輸出電平：晶振與晶體相比，最為突出的一點(diǎn)就是只要上電，就直接輸出時(shí)鐘信號。時(shí)鐘信號的電平也多種多樣，支持的電平主要包括：TTL、CMOS、HCMOS、LVCOMS、LVPECL、LVDS等。在選型中，應根據所需時(shí)鐘電平的種類(lèi)選擇相應的晶振。

　　(4) 工作溫度范圍：根據環(huán)境溫度要求的不同，應選擇對應的工作溫度范圍。

　　(5) 頻率精度：對應不同的工作溫度范圍，可選擇不同的頻率精度。以±15ppm@-20~70℃為例，其含義是，在-20~70℃溫度范圍內，該晶振輸出頻率相對基準頻率的偏差不會(huì )超過(guò)15ppm。該參數是晶振的重要參數，包含了由于溫度變化、電源電壓波動(dòng)、負載變化等因素引起的頻率偏差。

　　(6) 老化度：在恒定的外接條件下測量晶振頻率，頻率精度與時(shí)間之間的關(guān)系。

　　(7) 啟動(dòng)時(shí)間：從上電到晶振輸出頻率的偏差達到規定的頻率精度所需要的時(shí)間。

　　(8) 時(shí)鐘抖動(dòng)(Jitter)：在后面內容詳細介紹。

　　(9) 相位噪聲：在后面內容詳細介紹。

　　有源晶振的類(lèi)型包括以下幾類(lèi)：

　　(1) 普通封裝晶體振蕩器(SPXO)

　　它無(wú)溫度補償功能，也無(wú)電壓控制功能，其頻率特性完全取決于晶體以及外部振蕩電路。標準頻率為1~100MHz，頻率精度最高可達±10ppm。由于SPXO不包含任何頻率補償功能，因此是晶振中精度最差的一個(gè)種類(lèi)，價(jià)格低廉，通常作為微處理器的時(shí)鐘器件。在PCB布局時(shí)，SPXO器件應遠離發(fā)熱源。

　　(2) 壓控式晶體振蕩器(VCXO)

　　VCXO是通過(guò)外部施加控制電壓時(shí)振蕩頻率可調的晶體振蕩器。它的特點(diǎn)：輸出頻率可以通過(guò)輸入電壓控制，一般控制范圍為±50~±200ppm。工作原理：通過(guò)改變外加調整電壓的大小，能改變容性負載CL的值，從而實(shí)現頻率的調整。由于VCXO的具有振蕩頻率可調整的特點(diǎn)，所以用頻率—溫度穩定度來(lái)定義環(huán)境溫度變化對頻偏的影響。由于VCXO不具備溫度補償功能，因此在PCB布局時(shí)，VCXO器件應遠離發(fā)熱源。VCXO除了電源電源外，還需要控制電壓，以調整輸出頻率，當控制電壓調整為中央電壓時(shí)，VCXO輸出標稱(chēng)的基準頻率。VCXO常用在鎖相環(huán)電路中。

　　(3) 溫度補償晶體振蕩器(TCXO)

　　TCXO是利用附件的溫度補償電路以減少環(huán)境溫度對振蕩頻率的影響，其特點(diǎn)是頻率精度遠遠高于SPXO和VCXO。工作原理：利用熱敏電阻的溫度敏感性，當溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值和容性負載同時(shí)發(fā)生變化，而容性負載的變化會(huì )改變振蕩頻率，從而實(shí)現對振蕩頻率的修正。

　　(4) 恒溫晶體振蕩器(OCXO)

　　將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。頻率精度為10-10~10-8量級。頻率穩定度在四種類(lèi)型振蕩器中最高。

　　不同的特性決定了四種類(lèi)型晶振的應用場(chǎng)合：如果需要設備即開(kāi)即用，需選用SPXO、VCXO和TCXO。OCXO晶振需要一定的穩定時(shí)間。如果要求時(shí)鐘信號較高的穩定度，推薦使用TCXO和OCXO。

　　二、兩個(gè)重要概念：時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲。

　　數字信號的各個(gè)有效邊沿相對于其理想位置都存在一定的偏離，對于其中的短期性偏離(頻率在10Hz以上的偏離)，使用時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲參數來(lái)定義;對于其中的長(cháng)期性偏離(頻率在10Hz以?xún)鹊钠x)，使用漂移來(lái)定義。其中漂移容易被CDR(Clock Data Recovery，時(shí)鐘數據恢復電路)等模塊濾除。時(shí)鐘信號的質(zhì)量通常用抖動(dòng)和相位噪聲來(lái)描述。時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲的區別在于：時(shí)鐘抖動(dòng)是時(shí)域的概念;相位噪聲是頻域的概念。時(shí)鐘抖動(dòng)通常分為時(shí)間間隔誤差(Time Interval Error，簡(jiǎn)稱(chēng)TIE)、周期抖動(dòng)和相鄰周期抖動(dòng)。以下重點(diǎn)討論周期抖動(dòng)和相位噪聲的關(guān)系。

　　1、時(shí)鐘抖動(dòng)

　　周期抖動(dòng)(JPER)是實(shí)測周期與理想周期之間的時(shí)間差。由于具有隨機分布的特點(diǎn)，可以用峰-峰值或均方根(RMS)描述。首先定義門(mén)限VTH的時(shí)鐘上升沿位于時(shí)域的TPER(n)，其中n是一個(gè)時(shí)域系統，如圖1所示。JPER表示為：

　　其中T0是理想時(shí)鐘周期。由于時(shí)鐘頻率固定，隨機抖動(dòng)JPER的均值應該為零，JPER的RMS可表示為：

　　圖1 周期抖動(dòng)測量

　　利用示波器的邊沿觸發(fā)和余輝功能，可以粗略的測量信號的抖動(dòng)。使用該方法的測量并不具有實(shí)際意義。原因：(1)隨著(zhù)測量時(shí)間的增加，測得的抖動(dòng)值將不斷增加，即利用這種測量方法，無(wú)法得到確定的抖動(dòng)值;(2)即使能得到確定的抖動(dòng)值，這樣的值對電路設計也沒(méi)有任何指導意義，只能粗略判斷所使用的晶振的抖動(dòng)情況。