原创 选择晶体谐振器(Xtal),还是晶体振荡器(XO)?

2022-8-9 09:55 784 2 2 分类: MCU/ 嵌入式 文集: 技术

晶振是石英晶体谐振器(quartz crystal, Xtal)和晶体振荡器(crystal oscillator, XO)的统称,两者的性能、价格不一样,用法也完全不同。

其中,谐振器(Xtal)是石英晶片的封装体,这个晶片从石英晶体按一定方式切割而成,并经过了整形、抛光、镀电极、调整等一系列真空操作,能以很高的Q值在指定的频率起振。Xtal属于无源元件,不包含起振电路,但在电路分布上与包含驱动电路的IC芯片紧密相连。



晶体振荡器(XO,右)与石英谐振器(Xtal,左)的内部结构


相较而言,晶体振荡器(XO)是一个完整的电路,包含了谐振片(Xtal)、振荡电路、输出驱动器和锁相环电路(PLL)。XO以一定的频率和信号格式输出时钟信号,如CMOS、LVDS、LVPECL等格式。电路中,XO可直接连接MCU等芯片,或者通过缓存的馈送提供特定频率的多个版本。

那么,到底该选择晶体谐振器(Xtal),还是振荡器(XO)?这需要考虑以下指标。


时钟精度要求高吗?

目前,许多消费类和电池驱动型物联网设备都采用SoC芯片,通常需要时来同步,这样的芯片内部通常集成了振荡电路,只需外接一个石英镜片即可,这时选择谐振器(Xtal)比较合适。

对于高端应用,如数据中心、通信、工业自动化等,应用条件严苛,工作环境较差,通常会外接一个带有保护装置的XO,作为SoC芯片内部PLL的参考时钟。这时如果选择晶体谐振器,宕机的概率比较大。


抖动指标是多少?

时序抖动(Timing jitter)是衡量时钟信号纯度的有效指标。抖动越小,时钟信号的噪声就越小。由于晶体振动器(XO)担当着系统“心跳”的角色,输出一个清晰、低抖动的时钟信号非常必要。这里,抖动可通过示波器的时域,或相位噪声分析仪的频域进行测量。


需要可变频率吗?

很多振荡应用只需要一个单一、固定的频率,如16.9344MHz、156.25MHz等。但在某些情况下,却需要振荡器提供可变频率。例如,12G-SDI视频格式就需要在297MHz和297/1.001MHz这两个不同帧率的视频之间切换。

虽然大多数情况下,电子工程师可能并不知道最终设计的准确频率是多少,但是他们需要一个振荡器作为频率参考。对这些应用,理想的方案是选择一个能提供多个频率、已经预先设置并保存的XO晶振,如采用双封、四封的多振荡器产品。

XO晶振的另一形式是I2C可编程晶振。这种晶振具有最大的频率灵活性,在很大频率范围内具有恒定的低抖动性能。这些器件可在线编程,可提供几乎无限数量的频率。


频率稳定性很重要吗?

频率稳定性指XO晶振的输出频率随温度变化而偏移的大小,以PPM为单位,通常有±20ppm、±50ppm、±100ppm。如果频率偏移超出了应用预期值,就很可能发生时序紊乱。

当然,衡量XO晶振频率特性的还有总体稳定性参数,这个参数还包括了25°C的初始准确度,以及经过一段老化时间后的数值的总和。

同样,石英谐振器经过较长一段时间后,输出频率也会慢慢的发生偏移。在规格书(datasheet)上,有的晶振供应商标出的是25°C一年时间的老化值,有的是10年或更长时间的数值,这也需要引起注意,以免混淆。


作者: 硬之城Allchips, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3975615.html

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