盤點振蕩器生成精確時鐘源的幾種設計方案

　　振蕩器與穩(wěn)定性：

　　對振蕩器而言，有許多因素影響到系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，如：老化、噪聲、溫度、保持電路、可保持性、磁場、濕度、電源電壓與震動。下面介紹某些重要因素：

　　時間造成的不穩(wěn)定

　　時間造成的不穩(wěn)定可以分為兩類 - 老化與短期的不穩(wěn)定性。老化是由于振蕩器內(nèi)部變化造成的頻率的長期系統(tǒng)性變化。不過，雖然這種頻率變化只有幾PPM,但是其涉及需要精確頻率的系統(tǒng)時(如：DTV、機頂盒等)則至關(guān)重要。相反，短期的不穩(wěn)定性本質(zhì)上具有隨機性，往往可以定義為噪聲。

　　老化 - 有多重因素會造成老化，如：質(zhì)量轉(zhuǎn)移、晶體受到的應力、熱膨脹、安裝受力、鍵合單元、晶振的驅(qū)動電平以及DC偏置。

　　短期噪聲 - 理想振蕩器的輸出是完美的正弦波。不過，在理想系統(tǒng)中，隨機噪聲或閃爍噪聲會導致信號的相位偏移，從而造成頻率為了保持2nπ相位條件而發(fā)生改變。相位斜率dφ/df與QL成正比，必須保持高值，以確保最高的頻率穩(wěn)定性。為了維持高相位斜率，Cm 應當盡可能小。因此，fs與fp之間電抗/頻率的斜率越大，則頻率穩(wěn)定性越高。

　　溫度造成的不穩(wěn)定

　　晶振的共振頻率在室溫下變化很小。但是，隨著升至極端溫度，額定頻率的變化開始增大，有可能達到幾十ppm.

　　計算等應用可以承受這一點。但是對于導航、雷達、無線電通信、衛(wèi)星通信等對準確度與精度要求極高的應用來說，則無法接受這種巨大變化。因此，此類應用需要在系統(tǒng)中添加額外的補償元件(參見下文)。

　　可調(diào)諧性造成的不穩(wěn)定

　　使振蕩器在較寬的頻率范圍內(nèi)具有可調(diào)諧性會導致不穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)可調(diào)諧性，需要采用濾波器消除多余的頻率模式。但是，這樣會造成可調(diào)諧振蕩器很難實現(xiàn)更高的頻率穩(wěn)定性，因為負載電抗會受到濾波器中使用的變抗器的雜散電容與電感的影響。

　　保持電路造成的不穩(wěn)定

　　當在晶振中增加外部負載電容器時，電容器與雜散電容的容差會導致實際負載電容偏離所需值。負載電容的這種變化也會造成頻率改變。其可從下式求出：

　　其中，

　　Cm 是晶振數(shù)據(jù)表中指定的晶振動生電容;

　　CS 是晶振數(shù)據(jù)表中指定的晶振分流電容;

　　CL_NOM 是晶振數(shù)據(jù)表中指定的負載電容;

　　CL 是晶振端子之間的實際電容。

　　Q因子

　　Q因子可確定共振器儲存的能量(L與C儲存的能量)與損失的能量(R中消耗的能量)之比。采用更高Q因子的部分優(yōu)勢如下：

　　● 采用更高Q因子可以降低相位噪聲，因為相位噪聲對晶振的Q因子有很強的依賴性。這樣可以提高頻率穩(wěn)定性。

　　● 更高Q因子的另一個優(yōu)勢是縮小帶寬。

　　● Q因子與從激勵到衰減的時間成正比。因此，Q因子越高，衰減時間越長。衰減時間與環(huán)路增益共同有助于縮短晶振的啟動時間。

　　晶體振蕩器的類型

　　根據(jù)用于實現(xiàn)更高精度與準確度的補償方法，晶振可以分為四類。最常用的晶振包括：

　　● 無補償晶體振蕩器 - XO

　　● 電壓控制晶體振蕩器 - VCXO

　　● 溫度控制晶體振蕩器 - TCXO

　　● 恒溫振蕩器 - OCXO

　　補償晶體振蕩器(XO)

　　如前所述，此類振蕩器隨溫度可出現(xiàn)巨大變化 - 數(shù)量級達到±15ppm.對于不需要非常精確的時鐘的應用而言，無補償晶體振蕩器是不錯的選擇。

　　電壓控制晶體振蕩器(VCXO)

　　電壓控制晶體振蕩器采用晶振非常基本的特性 - 即只有振蕩器端子的負載電容(CL)與通常稱為CL_NOM的特定值(一般由晶振制造商提供)匹配時才以指定頻率共振。例如，如果晶振標為25Mhz與14pF,其意味著只有振蕩器端子提供的CL為14pF時它才以25MHz進行誤差為0PPM的共振。從式1可以看出CL增高可以降低頻率的PPM誤差。如果CL > CL_NOM,則ppm變成-ve,其意味著晶振將以低于中心頻率的頻率共振。而CL

　　晶體振蕩器的這種特性在VCXO中得以實現(xiàn)，其需要在非常小的范圍內(nèi)準確跟蹤頻率，比如用于數(shù)字機頂盒、DTV等。VCXO采用連接到其輸入端子的附加變?nèi)荻O管(或者在振蕩器端子改變CL的任何其它手段，如：有時候采用數(shù)字控制的電容陣列)。此二極管以反向偏置模式連接，而且在其之上施加外部電壓。由于變?nèi)荻O管的特性，其電容隨施加的電壓產(chǎn)生變化(即：隨反向偏置電壓的增高而降低)，而振蕩器輸入端的CL也同樣如此。因此，我們可以通過改變二極管上的電壓來控制振蕩的頻率并且對電路進行微調(diào)。在實際應用中，可以通過對比輸出頻率和預期頻率而生成誤差電壓。

　　溫度控制振蕩器(TCXO)

　　TCXO的工作原理與VCXO相同 - 當晶振串聯(lián)電抗組件(電容器或電感器)時可以改變振蕩的頻率(參見圖3 -fs與fp之間的區(qū)域)。TCXO采用溫度傳感器測量溫度并且為變?nèi)荻O管提供一個糾正信號，以補償頻率中的變化。

　　圖4: TCXO的方框圖

　　圖4顯示了TCXO的方框圖。采用此方法可以達到0.1ppm的精度。

　　恒溫振蕩器

　　在這種構(gòu)造中，晶振和其它溫度敏感組件都放置于一個溫度控制室(恒溫箱)，其調(diào)節(jié)到晶振的頻率/溫度斜率為0的溫度。這樣，振蕩器就能夠在溫度方面獲得最高的穩(wěn)定性，數(shù)量級可達0.001ppm.