盤點振蕩器生成精確時鐘源的幾種設計方案

　　數(shù)字邏輯已經(jīng)成為當今所有電子電路的核心，無論是FPGA、微控制器、微處理器還是分立邏輯。數(shù)字系統(tǒng)采用必須互連在一起以執(zhí)行所需功能的眾多組件。確保此類數(shù)字系統(tǒng)正常運行的要素是實現(xiàn)所有數(shù)字組件之間通信以及在其之間建立同步的時鐘信號。因此，我們始終需要一種源頭來生成這種時鐘信號。

　　信號源采用振蕩器的形式。雖然當今大多數(shù)微控制器具有集成RC振蕩器，但是這種內(nèi)部RC振蕩器生成的時鐘質(zhì)量往往不足以支持與系統(tǒng)中其它模塊通信所需要的精度。因此，需要采用能夠為整個系統(tǒng)提供時鐘信號并且滿足對精度、信號完整性與穩(wěn)定性等一切要求的外部振蕩器。

　　本文主要介紹在各種溫度和時間下生成精確時鐘的振蕩器的不同方面。所涵蓋的主題包括：

　　振蕩器 - 振蕩的基本標準

　　● 石英晶體振蕩器

　　● Q因子及其重要性

　　● 不同類型的晶體振蕩器

　　本文后續(xù)部分將包含設計并且提供有關以下方面的詳細說明：

　　● 皮爾斯晶體振蕩器(XO)

　　● 電壓控制振蕩器(VCXO)

　　● 溫度控制振蕩器(TCXO)

　　● 恒溫振蕩器(OCXO)

　　● 負電阻的重要性

　　什么是振蕩器?

　　在電子學中，任何無需輸入即可生成重復信號的電路都可以稱為振蕩器。簡而言之，振蕩器把DC能量轉換成預期頻率的AC能量。振蕩頻率取決于設計振蕩器時所采用的元件的常數(shù)。振蕩器電路一般采用具有正反饋的放大器;為了維持振蕩，電路必須遵守巴克豪森標準;也就是說，閉環(huán)振蕩系統(tǒng)的增益必須是整數(shù)，而圍繞環(huán)路的相移必須為2nπ，其中‘n’可以是任何整數(shù)，如圖1所示。

　　圖1:閉環(huán)振蕩系統(tǒng)

　　在最初激勵時，電路中的唯一信號是噪聲。由于正反饋機制，符合振蕩頻率與相位條件的噪聲分量會在系統(tǒng)中傳播并且幅度不斷增大。信號幅度不斷增大，直到受到有源元件自身內(nèi)部特性或者外部自動增益控制(AGC)單元的限制。建立振蕩所需時間取決于多種因素，如：噪聲信號的幅度與環(huán)路的增益等等。

　　有各種振蕩器可以用于建立振蕩，如：RC振蕩器、LC振蕩器與石英振蕩器。但是，就一定溫度與時間范圍內(nèi)的精度與準確度而言，石英振蕩器是首選，因為其具有高Q(104 ~106范圍內(nèi)，相比之下LC為102,后文詳述)，這有助于在溫度與時間范圍內(nèi)達到更高的穩(wěn)定性。

　　石英振蕩器

　　石英晶體振蕩器的最大賣點是能夠在各種負載與溫度條件下產(chǎn)生恒定頻率。在石英晶體振蕩器中，當把電壓源施加到晶體，其會產(chǎn)生機械攝動，進而產(chǎn)生特定頻率(又稱為共振頻率)的電壓信號。所產(chǎn)生的頻率取決于晶體的形狀與大小，因此晶體在切割之后就不能再用于任何其它頻率。晶體越薄，則共振頻率越高。

　　晶振的等效電路：

　　石英晶體可以建模為如圖2所示的LCR電路。

　　圖2:晶振的等效電路

　　其中，Lm、Cm與Rm分別是晶振的動生電感、動生電容與動生電阻，而Cs是晶振的電氣連接形成的分流電容。石英振蕩器以兩個共振頻率運行：Ls與Cs的串聯(lián)共振形成的串聯(lián)共振頻率(fs)、Ls的并聯(lián)共振以及Cs與Cp串聯(lián)組合形成的并聯(lián)共振頻率(fp)。并聯(lián)共振頻率又稱為操作基頻。

　　圖3:共振器電抗與頻率

　　圖3說明晶振的電抗與頻率曲線。在遠離fp的頻率時，晶振顯示出電容性。在fs與fp之間的區(qū)域，其顯示出電感性。fs與fp之間的區(qū)域是晶振的正常操作范圍。