原创 硅振荡器比晶体振荡器有明显优势

　　高温、强烈震动或速度快速变化给你的电路设计带来了挑战吗？功率或尺寸是制约因素吗？从订货到交货的时间？还是成本？如果是这样，那么你也许已经意识到晶体振荡器或陶瓷谐振器的局限了。不过，你也许还不知道，有一种比传统振荡器有明显优势的新型振荡器，即硅振荡器。

　　大多数时钟电路的核心是晶体或陶瓷谐振器。这些经实践证明是可取的组件具有极高的准确性和稳定性，但是它们的缺点在于以机械方式工作。这些组件易于磨损，物理冲击可能导致输出频率和相位误差。震动和极限温度可能使它们损坏，而且因为这些组件依靠具有匹配驱动器的调谐电路，所以它们并不总是像计划的那样启动，或者不以预期频率振荡。即使是同一个器件，在不同加电周期启动情形也可能不同。

　　谐振器时钟电路的一种可替代方案是 RC 时钟电路，RC 电路的频率由时间常数决定，而时间常数由电阻和电容器设置。RC 电路简单，而且与固定频率的晶体或陶瓷器件相比，可调范围更大，但是准确度和稳定性欠佳限制了它们的使用。

　　新型硅振荡器兼有小占板面积，卓越的准确度、线性度和可靠性以及低功率的优点。

　　硅振荡器：下一代振荡器组件

　　就像固态技术给电子管、继电器和核心存储器领域带来变革一样，硅振荡器正在取代传统的晶体和陶瓷振荡器。硅振荡器不依靠机械谐振组件，不像 RC 电路那样受到性能欠佳问题的困扰。标准的硅片制造和组装技术意味着，硅振荡器本身不受冲击和震动影响，也没有磨损问题。硅振荡器启动一致和快速，用 2.7V 至 6V 的单一电源工作，工作温度范围为  -40oC 至 125oC。凌力尔特公司的硅振荡器系列包括固定频率、电阻可编程以及串行可编程器件，频率范围为 1kHz 至 170MHz。

　　可替代密封罐式振荡器的固定频率振荡器

　　固定频率振荡器简单、可靠、坚固。这些器件无需微调组件，在 25oC 时最大频率误差为 ±1%，稳定性为 20ppm/oC。由于有卓越的抖动性能、上升和下降时间以及占空比，因此这些器件可提供极“干净”的方波。典型启动时间为 100us，并提供一个使能引脚以实现对输出的无干扰控制。三态分压器输入允许对主时钟频率分频（÷1、÷2、÷4）。图 1 显示的 LTC?6905-133 可产生 133MHz、67MHz 或 33.3MHz 的输出频率。其它可用频率包括 100MHz、96MHz、80MHz、50MHz、48MHz、40MHz、25MHz、24MHz 和 20MHz。

　　电阻可编程振荡器具有无限频率分辨率

　　单个外部电阻（RSET）和一个三态分压器输入用来设置电阻可编程振荡器的频率。RSET 通过一个简单的公式选择，如图 2 所示。尽管这个电路看起来简单，但是其内部有一个专有的反馈环路，用来保持 RSET 和输出频率之间的精确关系。该环路的典型温度系数仅为 20ppm/oC，在整个电源电压范围内具有 0.5%/V 的稳定性。采用一个 0.1% 的电阻在 0oC 至 70oC 的温度范围内一般可实现优于 0.6% 的准确度。

　　因为用一个电阻可以在振荡器工作范围内设置任何频率值，所以非标准值 (如开关电容器滤波器中使用的那些频率值) 就可以轻松地产生。电阻可编程性允许在设计后期进行调节，或在生产校准时作最后微调。电阻可编程性还允许实现独特的功能，因为频率可通过能向 SET 引脚提供电流的任何方法控制。这允许以电压控制或电流控制模式工作，因此适用于仪表应用（参见后面“应用”一节）。

　　基于 I2C 或 SPI 的振荡器无需外部微调组件

　　串行可编程振荡器具有类似功能，但是不是使用电阻，而是通过 SPI 或 I2C 兼容的接口编程。通过一个 10 位 DAC 随时设置频率，还有 4 个附加位设置所需范围，从而产生 1kHz 至 68MHz 的输出范围以及 0.1% 的分辨率。这类器件以 1kHz 频率自动启动，之后逻辑电路可以按照需要复位自己的频率。例如，一个微控制器可以调节和控制自己的频率。

　　优选硅振荡器

　　应用

　　硅振荡器正在打开一条通向汽车领域和控制电路之路，在这些应用中，硅振荡器可以直接放置在需要的地方，如轮毂、驾驶杆和仪表板中。工业应用也正在利用硅振荡器实现可编程控制器（PLC）、运动控制和传感器。

　　作为一个例子，我们来看一下用硅振荡器取代固定频率、大功率晶体器件的优势。频率可编程性使降低动态功率成为可能1。通过串行接口或只是通过切换振荡器分压器引脚，可降低振荡器频率，这将最大限度地降低所有使用时钟的器件功耗。采用两个时钟沿都被使用的双沿时钟器件还可以降低功率。采用双沿时钟，时钟速率降低 50%。因为硅振荡器具有卓越的上升和下降时间，占空比为 50%±5%，因此其轨至轨方波输出非常适用于实现双沿时钟。

　　硅振荡器除了可以形成卓越的时钟电路，还能以新颖的方式利用其独一无二的特性，如以下例子所示。 　　可调微功率时间间隔发生器

　　图 3 所示是一个准确的微功率时间间隔发生器，该发生器具有大的动态范围和卓越的稳定性。这个电路由一个 LTC6906 硅振荡器、一个计数器和一个双路触发器组成。LTC6906 硅振荡器电流消耗极低（100kHz 时最大为 18uA）且启动快速，从而使标准 CMOS 栅极能够通过电源引脚唤醒电路。该振荡器的频率和计数器的模数设置该电路的输出时间间隔脉冲宽度。如图所示，时间间隔从 16us 到 1.6s 是可编程的，增加计数器可以扩大这一范围。同时使用 50ppm 的电阻和稳定性为 50ppm 的 LTC6906，可在整个温度范围内实现 100ppm 的稳定性。通过在不需要时给时钟电路断电，电流消耗可降为 CMOS 双路触发器和计数器的静态电流。

　　宽范围线性压控振荡器（VCO）

　　使用凌力尔特公司的电阻可编程振荡器，可以通过能为 SET 引脚提供电流的任何方法设置频率。这对 LTC6905 尤其有用，该器件具有 17MHz 至 170MHz 的宽频率范围。图 5 所示为用电压源以控制频率。RSET 电阻确定进入 SET 引脚的恒定电流，通过 RCNTRL 的电流将从这个电流中减去以改变频率。这样，提高 VCNTRL 就提高了输出频率。图 6 显示了用这种简单方法可以实现的宽频率范围和卓越线性度。

　　远端检测

　　用基于电阻的传感器 (如热敏电阻) 取代 RSET允许直接将传感器输出转换成频率。在图 7 中，热敏电阻用作简单的温度-频率发生器。通过转换成数字信号（CMOS 时钟输出），可以进行远端测量并以数字方式发送测量结果。使用一个光隔离器将从电学上隔离传感器，并避开地环路。为特定热敏电阻增加串联和并联电阻并扩大温度范围可改善线性度。因为电阻可编程振荡器占板面积小、工作范围宽且漂移低，所以在这种应用中它们可以直接用在测量点处，对设计的影响很小。

　　可变正弦波发生器

　　可编程硅振荡器还可用来设计可调正弦波发生器。音频电路、校准设备、传感器驱动、电源调节电路和自动测试设备（ATE）常常需要正弦波。一种方法是结合可编程振荡器和可调时钟，如图 8 所示。这个简单的低功率电路具有约 0.1% 的 THD。采用更高阶滤波器可以实现更好的失真特性。

　　结论

　　显然，除了是性能超卓的“基础”型时钟之外，硅振荡器还提供了独特的潜在价值。考虑到晶体和陶瓷振荡器技术已得到广泛认可，因此在寻求设计改进时也许很容易忽视时钟部分。不管设计难题是严酷的环境、功耗、成本、电路板面积还是库存管理，这些通用器件都将迅速证明，它们是替代密封罐式或分立振荡器设计的理想器件。