1 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。

 

2 常用的晶振的技術(shù)指標

 

（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，應根據(jù)所需時鐘電平的種類選擇相應的晶振。

 

（4） 工作溫度范圍：根據(jù)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(nèi)，該晶振輸出頻率相對基準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。

 

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)菪载撦dCL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，當控制電壓調(diào)整為中央電壓時，VCXO輸出標稱的基準頻率。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，熱敏電阻的阻值和容性負載同時發(fā)生變化，而容性負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。

 

4 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)計也沒有任何指導意義，只能粗略判斷所使用的晶振的抖動情況。

　　

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。

 

對于頻率為f0的時鐘信號而言，如果信號上不含抖動，則信號的所有功率應集中在頻率點f0處，由于任何信號都存在抖動，這些抖動有些是隨機的，有些是確定的，分布于相當廣的頻帶上，因此抖動的出現(xiàn)將使信號功率被擴展到這些頻帶上。信號的相位噪聲，就是信號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)的信號功率與信號總功率的比值，即在fm頻率處1Hz范圍內(nèi)的面積與整個噪聲頻率下的所有面積之比。

 

圖2 信號相位噪聲曲線圖

 

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

 

以下面的例子為例，說明對時鐘輸入的要求：

 

RMS JPER（12kHz~20MHz）：0.5ps

 

相位噪聲（10~100kHz）：-120dBc/Hz

 

這實際上是兩個要求，一個是要求在頻段12kHz~20MHz內(nèi)，均方根抖動不能大于0.5ps；另一方面要求在頻段10~100kHz內(nèi)，任何頻點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)置與被測信號頻率相同的中心頻率(Center Frequence)，并使被測信號靠近屏幕的左側(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的實際輸出電平值。

 

（3） 在頻譜分析儀上根據(jù)被測信號頻率的大小設(shè)置適當?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在有效帶寬內(nèi)的一個或兩個噪聲邊帶。

 

（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，并記錄此時的RBW。

 

（5） 對指定頻偏點的單邊帶相位噪聲按以下公式計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：

 

（1） 頻譜儀的本振相位噪聲應低于被測源的相位噪聲。(對于有源晶振而言，該點一般都滿足)。

 

（2） 頻譜儀應去多次測試平均值。

 

（3） 頻譜儀的分辨率帶寬RBW值應盡量小。

 

6 晶振電路設(shè)計

 

有源晶振EMC標準設(shè)計電路如下：

 

 

原理圖注意事項：

 

（1） 有源晶振的電源引腳最好不要直接接電源，而是通過一個磁珠后接入，這可大大降低電源噪聲對時鐘輸出頻率的影響。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，容值依次遞減。

 

（2） 有源晶振的時鐘輸出端串聯(lián)一個小電阻，作用是為了減少信號反射，以免造成信號反射引起的信號過沖。電阻R1是預留匹配設(shè)計，可根據(jù)實驗情況進行阻值調(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，當阻抗嚴重不匹配的時候?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。

 

可以進行阻抗匹配，減少反射信號的干擾。

 

（3）  C5是預留設(shè)計，可根據(jù)實驗情況進行調(diào)整，它的作用是：與串聯(lián)電阻組成RC濾波電路，減少時鐘信號的過沖。

 

PCB設(shè)計注意事項：

 

（1） 耦合電容應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對晶振的干擾。

 

（3） 晶振下面不要布線，保證完全鋪地，同時在晶振的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） 時鐘信號的走線應盡量短，線寬大一些，在布線長度和遠離發(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)計時尤其注意該點。

 

 

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