1 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(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(lì)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(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(nèi)，加電即可輸出時(shí)鐘信號(hào)，頻率精度較高，價(jià)格也略高。

 

2 常用的晶振的技術(shù)指標(biāo)

 

（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(shí)鐘信號(hào)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(duì)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(hào)。時(shí)鐘信號(hào)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(shí)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(duì)應(yīng)的工作溫度范圍。

 

（5） 頻率精度：對(duì)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(duì)基準(zhǔn)頻率的偏差不會(huì)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(dòng)、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(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(dá)到規(guī)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(nèi)容詳細(xì)介紹。

 

（9） 相位噪聲：在后面內(nèi)容詳細(xì)介紹。

 

3 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(bǔ)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(dá)±10ppm。由于SPXO不包含任何頻率補(bǔ)償功能，因此是晶振中精度最差的一個(gè)種類，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(yīng)遠(yuǎn)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(shí)振蕩頻率可調(diào)的晶體振蕩器。它的特點(diǎn)：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(shí)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(diǎn)，所以用頻率—溫度穩(wěn)定度來定義環(huán)境溫度變化對(duì)頻偏的影響。由于VCXO不具備溫度補(bǔ)償功能，因此在PCB布局時(shí)，VCXO器件應(yīng)遠(yuǎn)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(shí)，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(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)

 

TCXO是利用附件的溫度補(bǔ)償電路以減少環(huán)境溫度對(duì)振蕩頻率的影響，其特點(diǎn)是頻率精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，熱敏電阻的阻值和容性負(fù)載同時(shí)發(fā)生變化，而容性負(fù)載的變化會(huì)改變振蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)頻率的影響。頻率精度為10-10~10-8量級(jí)。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(shí)間。如果要求時(shí)鐘信號(hào)較高的穩(wěn)定度，推薦使用TCXO和OCXO。

 

4 時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲

 

數(shù)字信號(hào)的各個(gè)有效邊沿相對(duì)于其理想位置都存在一定的偏離，對(duì)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(shù)來定義；對(duì)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(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路）等模塊濾除。時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量通常用抖動(dòng)和相位噪聲來描述。時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲的區(qū)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，簡稱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(jī)分布的特點(diǎn)，可以用峰-峰值或均方根(RMS)描述。首先定義門限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(tǒng)，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(jī)抖動(dòng)JPER的均值應(yīng)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(hào)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(duì)電路設(shè)計(jì)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(dòng)情況。

　　

2、相位噪聲

　　

相位噪聲：在頻域上，數(shù)據(jù)偏移量用相位噪聲來定義。如圖2所示為典型的相位噪聲曲線圖。橫軸代表頻率，單位是Hz，縱軸代表功率譜密度，單位是dBc/Hz。

 

對(duì)于頻率為f0的時(shí)鐘信號(hào)而言，如果信號(hào)上不含抖動(dòng)，則信號(hào)的所有功率應(yīng)集中在頻率點(diǎn)f0處，由于任何信號(hào)都存在抖動(dòng)，這些抖動(dòng)有些是隨機(jī)的，有些是確定的，分布于相當(dāng)廣的頻帶上，因此抖動(dòng)的出現(xiàn)將使信號(hào)功率被擴(kuò)展到這些頻帶上。信號(hào)的相位噪聲，就是信號(hào)在某一特定頻率處的功率分量，將這些分量連接成的曲線就是相位噪聲曲線。相位噪聲通常定義為在某一給定偏移處的dBc/Hz值，其中dBc是以dB為單位的該功率處功率與總功率的比值。如一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)總功率的比值，即在fm頻率處1Hz范圍內(nèi)的面積與整個(gè)噪聲頻率下的所有面積之比。

 

圖2 信號(hào)相位噪聲曲線圖

 

從相位噪聲曲線圖可知，絕大多數(shù)抖動(dòng)都集中在頻率f0附近，距離f0越遠(yuǎn)的頻段，抖動(dòng)能量越小。

 

以下面的例子為例，說明對(duì)時(shí)鐘輸入的要求：

 

RMS JPER（12kHz~20MHz）：0.5ps

 

相位噪聲（10~100kHz）：-120dBc/Hz

 

這實(shí)際上是兩個(gè)要求，一個(gè)是要求在頻段12kHz~20MHz內(nèi)，均方根抖動(dòng)不能大于0.5ps；另一方面要求在頻段10~100kHz內(nèi)，任何頻點(diǎn)處的功率譜密度都不能超過-120dBc/Hz。

 

5 使用頻譜分析儀測量相位噪聲的步驟

 

（1） 在頻譜分析儀上設(shè)置與被測信號(hào)頻率相同的中心頻率(Center Frequence)，并使被測信號(hào)靠近屏幕的左側(cè)。

 

（2） 在頻譜分析儀上設(shè)置參考電平(REF LEVEL)，略大于或等于被測載波信號(hào)的實(shí)際輸出電平值。

 

（3） 在頻譜分析儀上根據(jù)被測信號(hào)頻率的大小設(shè)置適當(dāng)?shù)膾哳l寬度(SPAN)、分辨率帶寬(RWB)、視頻帶寬(VBW)使其能顯示被測信號(hào)在有效帶寬內(nèi)的一個(gè)或兩個(gè)噪聲邊帶。

 

（4） 用頻譜分析儀分別測量載波功率PC和指定偏離載波f處的邊帶噪聲功率Pm。也可以直接用頻譜分析儀的ΔMARKER功能測出PC和Pm的差值，并記錄此時(shí)的RBW。

 

（5） 對(duì)指定頻偏點(diǎn)的單邊帶相位噪聲按以下公式計(jì)算歸一化的相位噪聲值。

 

Ψ(f)=Pm/Pc-10lg1.2RBW/(1Hz)+2.5

 

如果頻譜分析儀具備歸一化的相位噪聲計(jì)算分析測量軟件，則可直接測得已經(jīng)歸一化的相位噪聲值。

 

測試中的注意事項(xiàng)：

 

（1） 頻譜儀的本振相位噪聲應(yīng)低于被測源的相位噪聲。(對(duì)于有源晶振而言，該點(diǎn)一般都滿足)。

 

（2） 頻譜儀應(yīng)去多次測試平均值。

 

（3） 頻譜儀的分辨率帶寬RBW值應(yīng)盡量小。

 

6 晶振電路設(shè)計(jì)

 

有源晶振EMC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)電路如下：

 

 

原理圖注意事項(xiàng)：

 

（1） 有源晶振的電源引腳最好不要直接接電源，而是通過一個(gè)磁珠后接入，這可大大降低電源噪聲對(duì)時(shí)鐘輸出頻率的影響。晶振電源的去耦電容的匹配也很重要，去耦電容一般選3個(gè)，容值依次遞減。

 

（2） 有源晶振的時(shí)鐘輸出端串聯(lián)一個(gè)小電阻，作用是為了減少信號(hào)反射，以免造成信號(hào)反射引起的信號(hào)過沖。電阻R1是預(yù)留匹配設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行阻值調(diào)整。其具體作用如下：

 

可以減少諧波。有源晶振的輸出是方波，當(dāng)阻抗嚴(yán)重不匹配的時(shí)候?qū)⒁鹬C波干擾。加上串聯(lián)電阻后，該電阻與輸入電容構(gòu)成RC電路，將方波變成正弦波。

 

可以進(jìn)行阻抗匹配，減少反射信號(hào)的干擾。

 

（3）  C5是預(yù)留設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整，它的作用是：與串聯(lián)電阻組成RC濾波電路，減少時(shí)鐘信號(hào)的過沖。

 

PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

 

（1） 耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳，位置擺放順序：按電源流入方向，依容值從大到小依次擺放，容值最小的電容最靠近電源引腳。

 

（2） 晶振的外殼必須接地，可以晶振的向外輻射，也可以屏蔽外來信號(hào)對(duì)晶振的干擾。

 

（3） 晶振下面不要布線，保證完全鋪地，同時(shí)在晶振的300mil范圍內(nèi)不要布線，這樣可以防止晶振干擾其他布線、器件和層的性能。

（4） 時(shí)鐘信號(hào)的走線應(yīng)盡量短，線寬大一些，在布線長度和遠(yuǎn)離發(fā)熱源上尋找平衡。

 

（5） 晶振不要放置在PCB板的邊緣，在板卡設(shè)計(jì)時(shí)尤其注意該點(diǎn)。

 

 

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