由振蕩器生成精確時鐘源的設計方案

數字邏輯已經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。數字系統采用必須互連在一起以執行所需功能的眾多組件。確保此類數字系統正常運行的要素是實現所有數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。雖然當今大多數微控制器具有集成RC振蕩器，但是這種內部RC振蕩器生成的時鐘質量往往不足以支持與系統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提供時鐘信號并且滿足對精度、信號完整性與穩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。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，閉環振蕩系統的增益必須是整數，而圍繞環路的相移必須為2nπ，其中‘n’可以是任何整數，如圖1所示。

圖1:閉環振蕩系統

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，相比之下LC為102,后文詳述)，這有助于在溫度與時間范圍內達到更高的穩定性。

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，其會產生機械攝動，進而產生特定頻率(又稱為共振頻率)的電壓信號。所產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的串聯共振形成的串聯共振頻率(fs)、Ls的并聯共振以及Cs與Cp串聯組合形成的并聯共振頻率(fp)。并聯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之間的區域，其顯示出電感性。fs與fp之間的區域是晶振的正常操作范圍。振蕩器與穩定性：

對振蕩器而言，有許多因素影響到系統的頻率穩定性，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：

時間造成的不穩定

時間造成的不穩定可以分為兩類 - 老化與短期的不穩定性。老化是由于振蕩器內部變化造成的頻率的長期系統性變化。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時(如：DTV、機頂盒等)則至關重要。相反，短期的不穩定性本質上具有隨機性，往往可以定義為噪聲。

老化 - 有多重因素會造成老化，如：質量轉移、晶體受到的應力、熱膨脹、安裝受力、鍵合單元、晶振的驅動電平以及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，則頻率穩定性越高。

溫度造成的不穩定

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中添加額外的補償元件(參見下文)。

可調諧性造成的不穩定

使振蕩器在較寬的頻率范圍內具有可調諧性會導致不穩定性。為了實現可調諧性，需要采用濾波器消除多余的頻率模式。但是，這樣會造成可調諧振蕩器很難實現更高的頻率穩定性，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 是晶振數據表中指定的晶振動生電容;

CS 是晶振數據表中指定的晶振分流電容;

CL_NOM 是晶振數據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定性。

● 更高Q因子的另一個優勢是縮小帶寬。

● 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

根據用于實現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巨大變化 - 數量級達到±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，其需要在非常小的范圍內準確跟蹤頻率，比如用于數字機頂盒、DTV等。VCXO采用連接到其輸入端子的附加變容二極管(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。由于變容二極管的特性，其電容隨施加的電壓產生變化(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。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之間的區域)。TCXO采用溫度傳感器測量溫度并且為變容二極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)，其調節到晶振的頻率/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定性，數量級可達0.001ppm.