關(guān)于晶振及其典型應(yīng)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鐘振蕩器的統(tǒng)稱，它是一種用于穩(wěn)定頻率和選擇頻率的電子元件，可分無源晶振和有源晶振兩種類型。

　　(1) 無源晶振為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振蕩頻率的精度。振蕩電路中包含兩個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封裝內(nèi)，加電即可輸出時鐘信號，頻率精度較高，價格也略高。

　　常用的晶振的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　(1) 基準(zhǔn)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，晶振輸出的時鐘信號上的噪聲與電源再說緊密相關(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，最為突出的一點就是只要上電，就直接輸出時鐘信號。時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(yīng)根據(jù)所需時鐘電平的種類選擇相應(yīng)的晶振。

　　(4) 工作溫度范圍：根據(jù)環(huán)境溫度要求的不同，應(yīng)選擇對應(yīng)的工作溫度范圍。

　　(5) 頻率精度：對應(yīng)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(nèi)，該晶振輸出頻率相對基準(zhǔn)頻率的偏差不會超過15ppm。該參數(shù)是晶振的重要參數(shù)，包含了由于溫度變化、電源電壓波動、負(fù)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，頻率精度與時間之間的關(guān)系。

　　(7) 啟動時間：從上電到晶振輸出頻率的偏差達到規(guī)定的頻率精度所需要的時間。

　　(8) 時鐘抖動(Jitter)：在后面內(nèi)容詳細介紹。

　　(9) 相位噪聲：在后面內(nèi)容詳細介紹。

　　有源晶振的類型包括以下幾類：

　　(1) 普通封裝晶體振蕩器(SPXO)

　　它無溫度補償功能，也無電壓控制功能，其頻率特性完全取決于晶體以及外部振蕩電路。標(biāo)準(zhǔn)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種類，價格低廉，通常作為微處理器的時鐘器件。在PCB布局時，SPXO器件應(yīng)遠離發(fā)熱源。

　　(2) 壓控式晶體振蕩器(VCXO)

　　VCXO是通過外部施加控制電壓時振蕩頻率可調(diào)的晶體振蕩器。它的特點：輸出頻率可以通過輸入電壓控制，一般控制范圍為±50~±200ppm。工作原理：通過改變外加調(diào)整電壓的大小，能改變?nèi)菪载?fù)載CL的值，從而實現(xiàn)頻率的調(diào)整。由于VCXO的具有振蕩頻率可調(diào)整的特點，所以用頻率—溫度穩(wěn)定度來定義環(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，VCXO器件應(yīng)遠離發(fā)熱源。VCXO除了電源電源外，還需要控制電壓，以調(diào)整輸出頻率，當(dāng)控制電壓調(diào)整為中央電壓時，VCXO輸出標(biāo)稱的基準(zhǔn)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(dāng)溫度變化時，熱敏電阻的阻值和容性負(fù)載同時發(fā)生變化，而容性負(fù)載的變化會改變振蕩頻率，從而實現(xiàn)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(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。

　　不同的特性決定了四種類型晶振的應(yīng)用場合：如果需要設(shè)備即開即用，需選用SPXO、VCXO和TCXO。OCXO晶振需要一定的穩(wěn)定時間。如果要求時鐘信號較高的穩(wěn)定度，推薦使用TCXO和OCXO。

　　二、兩個重要概念：時鐘抖動與相位噪聲。

　　數(shù)字信號的各個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)，使用時鐘抖動和相位噪聲參數(shù)來定義;對于其中的長期性偏離(頻率在10Hz以內(nèi)的偏離)，使用漂移來定義。其中漂移容易被CDR(Clock Data Recovery，時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路)等模塊濾除。時鐘信號的質(zhì)量通常用抖動和相位噪聲來描述。時鐘抖動和相位噪聲的區(qū)別在于：時鐘抖動是時域的概念;相位噪聲是頻域的概念。時鐘抖動通常分為時間間隔誤差(Time Interval Error，簡稱TIE)、周期抖動和相鄰周期抖動。以下重點討論周期抖動和相位噪聲的關(guān)系。

　　1、時鐘抖動

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

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

　　圖1 周期抖動測量

　　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。使用該方法的測量并不具有實際意義。原因：(1)隨著測量時間的增加，測得的抖動值將不斷增加，即利用這種測量方法，無法得到確定的抖動值;(2)即使能得到確定的抖動值，這樣的值對電路設(shè)計也沒有任何指導(dǎo)意義，只能粗略判斷所使用的晶振的抖動情況。