原创 如何为电子产品选择合适的晶振

2008-10-24 13:38 4196 6 5 分类: 消费电子

如何为电子产品选择合适的晶振



上网时间:2008年07月08日

与当今大多电子产品最起码包含一个嵌入式控制器一样,大多这样的产品也都最少有一个晶振。实际上,在一些多协议网络和电信设备中,可用到10或更多个晶振。晶振一般用于设定处理器的时钟频率以及网络速度或无线信道的工作频率。晶振除提供FCC所要求的设定无线和网络工作频率的精度外,还提供大多现代产品所需要的精准定时


当设计产品时,你可从许多现成的预先封装好的晶振中选用一种,也可自己设计晶振。在许多情况,你所要做的就是把合适的晶体(外加两个电容)于内置振荡电路的处理器或其它芯片连接起来。否则,你需要独立振荡电路。


在这些场合,把时间和金钱花在自己设计和搭建晶振上无论在经济和产品上市速度方面看都已得不偿失。在当今的电子设计中,更明智的作法是将元器件和芯片整合在一起、集成为系统而非研制具体的电路。现在,晶振已演进为一个以独立产品形态出现的子系统器件。


在更复杂的电子产品中,晶振基本是必须的。这些由纯净石英制成的细片能以精准和非常稳定的频率振动。其几乎可被设定成任何频率并在很宽的温度范围和电压变异下保持该频率的能力是任何RC或LC振荡器都根本无法企及的。


石英是自然界中一种具有晶格结构的材料,是地球表面仅次于长石(feldspar)的最常见的物质。其化学成分是二氧化硅(SiO2),但其压电特性令其与众不同。所谓压电特性是指材料受到机械力的压迫时产生电压或当用电压激励时以精准频率振荡的能力。后一种特性使石英成为许多应用中用以设定频率的一种器件。


虽然可从大自然中得到石英晶体,但也可通过合成方式制造出晶体。纯的石英晶体是通过在高压釜内将一种称为lasca的矿物质融化并于一个种子晶体整合在一起的方式获得的。然后将这种晶体切割为小片、并以其为基础生成设定某一特定工作频率所需的厚度。


把晶体切割成片时的形状和角度决定晶片的稳定性及其它特征。有AT、SC和X等不同切法。两条晶片分放在该晶体相背的两面,并分别于焊装引线连接。组装好的晶振封装在一个通常由金属制的密闭壳内。


晶体本身看起来象是具有等效感抗、容抗和阻抗器件的串联谐振电路(图1a)。将该晶体放在一个夹持物上将产生并联电容,其中,该晶体在这两个夹持平板中起着电介质的作用。这种组合产生一个独特的兼有串联和并联谐振的电路。



如何为电子产品选择合适的晶振


基于采用的振荡电路,晶体可被用于串联、并联或抗谐振模式。因并联模式不很稳定,所以,一般避免采用。但,通常利用介于串联和并联谐振点间的频率范围。该区域称为并联模式范围。


当工作在并联模式时,通过该晶体的外接容抗将决定工作频率。该容抗称为负载容抗,它包括PCB上以及振荡电路中的任何杂散或分布电容。该负载容抗值一般在3到20pF之间,当订购一款用在并联模式电路中的晶体时,必须指明该值。


也可给晶体添加一个串联或并联电容器以将其谐振频率在一个窄的范围内变动。该特性允许对频率实施微小调整,它有能力为锁相环(PLL)应用生成一个可变频晶振。


许多晶体也在更高的泛音频率上起振。第3和第5泛频最常见。所谓泛频就是基本谐振频率乘以3、5或其它奇数倍频率的近似。而谐频(harmonic)则是基本频率的严格整数倍,但泛频只是近似而非严格整数倍。


因典型晶体的基本振荡频率最大也就在30到50MHz,所以,泛频模式是实现晶体精度和更高频率稳定性的一种方式。当指定一款泛频晶体时,强调准确的频率很重要,这样,制造商才能在晶体中实现合适的基本频率。


关键参数


当比较和选择晶振时,设计师应考虑以下10个关键参数。


1、工作频率 晶振的频率范围一般在1到70MHz之间。但也有诸如通用的32.768kHz钟表晶体那样的特殊低频晶体。晶体的物理厚度限制其频率上限。归功于类似反向台面(inverted Mesa)等制造技术的发展,晶体的频率上限已从前些年的30MHz提升到200MHz。工作频率一般按工作温度25°C时给出。


可利用泛频晶体实现200MHz以上输出频率的更高频率晶振。另外,带内置PLL频率倍增器的晶振可提供1GHz以上的频率。当需要UHF和微波频率时,声表波(SAW)振荡器是种选择。


2、频率精度:频率精度也称频率容限,该指标度量晶振实际频率于应用要求频率值间的接近程度。其常用的表度方法是于特定频率相比的偏移百分比或百万分之几(ppm)。例如,对一款精度±100ppm的10MHz晶振来说,其实际频率在10MHz±1000Hz之间。


(100/1,000,000)×10,000,000=1000Hz


它与下式意义相同:1000/10,000,000=0.0001=10-4或0.01%。典型的频率精度范围在1到1000ppm,以最初的25°C给出。精度很高的晶振以十亿分之几(ppb)给出。


3、频率稳定性 该指标量度在一个特定温度范围(如:0°C到70°C以及-40°C到85°C)内,实际频率与标称频率的背离程度。稳定性也以ppm给出,根据晶振种类的不同,该指标从10到1000ppm变化很大(图2)。



如何为电子产品选择合适的晶振


4、老化 老化指的是频率随时间长期流逝而产生的变化,一般以周、月或年计算。它于温度、电压及其它条件无关。在晶振上电使用的最初几周内,将发生主要的频率改变。该值可在5到10ppm间。在最初这段时间后,老化引起的频率变化速率将趋缓至几ppm。


5、输出 有提供不同种类输出信号的晶振。输出大多是脉冲或逻辑电平,但也有正弦波和嵌位正弦波输出。一些常见的数字输出包括:TTL、HCMOS、ECL、PECL、CML和LVDS。


许多数字输出的占空比是40%/60%,但有些型号可实现45%/55%的输出占空比。一些型号还提供三态输出。一般还以扇出数或容抗值(pF)的方式给出了最大负载。


6、工作电压 许多晶振工作在5V直流。但新产品可工作在1.8、2.5和3.3V。


7、启动时间 该规范度量的是系统上电后到输出稳定时所需的时间。在一些器件内,有一个控制晶振输出开/闭的使能脚。


8、相噪 在频率很高或应用要求超稳频率时,相噪是个关键指标。它表度的是输出频率短时的随机漂移。它也被称为抖动,它产生某类相位或频率调制。该指标在频率范围内用频谱分析仪测量,一般用dBc/Hz表示相噪。


晶振输出的不带相噪的正弦波被称为载波,在频谱分析仪上显现为一条工作频率上的垂直线。相噪在载波之上和之下产生边带。相噪幅度表示为边带功率幅值(Ps)与载波功率幅值(Pc)之比,以分贝表示:


相噪(dBc)=10log(Ps/Pc)


相噪的测量以载波的10kHz或100kHz频率增量计算,但也用到低至10Hz或100Hz的其它频率增量。相噪度量一般规整为与1Hz相等的带宽。取决于载波的频率增量,典型的相噪值在-80到-160dBc之间。


9、可调性(Pullability) 该指标表度的是通过对一个压控晶振(VCXO)施加一个外部控制电压时,该电压所能产生的频率改变。它表示的是最大可能的频率变化,通常用ppm表示。同时还给出控制电压水平,且有时还提供以百分比表示的线性值。典型的直流控制电压范围在0到5V。频率变化与控制电压间的线性关系可能是个问题。


10、封装 晶振有许多种封装形态。过去,最常用的是金属壳封装,但现在,它已被更新的表贴(SMD)封装取代。命名为HC-45、HC-49、HC-50或HC-51的金属封装一般采用的是标准的DIP通孔管脚。而常见的SMD封装大小是5×7mm。源于蜂窝手机制造商的要求,SMD封装的趋势是越做越薄。


通用的晶振电路


为使用晶振已开发中数十种电路。许多都衍生自通用的Colpitts、Pierce和Clapp电路。电路决定晶体是工作在串联还是并联模式。


在串联模式,两个逻辑反向器以偏置接法连至线性部分用于由R1实现的放大(图3)。C1是隔阻直流的电容器。R2设定最优化的晶体驱动电流。晶振工作在串联模式。这种串联用法因其工作不如并联模式稳定,所以用得不多。



如何为电子产品选择合适的晶振


例如,在嵌入式控制器内一般采用Pierce振荡器(图4)。晶振及C1和C2外接处理器。这里,R1还是将反向器接至线性区域。电容器C1和C2与晶振一道提供所需的180°相移。



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振荡频率低于串联谐振频率,但高于该晶振的并联谐振频率。电容器C1和C2的确影响振荡频率。电容器C1和C2的串联加之与晶振并联在一起的PCB外部杂散电容(CS)一道形成负载电容(CL)。


CL=(C1C2)/(C1+C2)+CS


电容器C1和C2一般等值,且取值在10到30pF之间。杂散电容一般在2到5pF。晶振制造商将需要你为指定频率明确该负载电容值。


晶振种类


有4种基本的一体化晶振:时钟晶振(XO)、压控晶振(VCXO)、温度补偿晶振(TCXO)和热腔控制晶振(OCXO)。


基础XO就是把晶体与其振荡器封装在一起。其频率一般是固定的,但在某些设计中,可提供一个可调电容用于补偿老化带来的频漂。XO用于紧要性最低的设计中,一般用作处理器或其它数字芯片的时钟晶振。典型精度从10ppm到几百ppm,老化指标为±1到±5ppm/年(图5)。



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TCXO内置用于补偿伴随温度变化产生的频变的电路。所以,TCXO能提供许多应用所要求的精准和稳定得多的输出频率。手机和双向无线通信就是常见的应用例子。


最简单的方式是在电路中使用热敏电阻温度传感器来操控反馈电路中的一个压变电容以使晶振频率更稳定。


更精确的方法


例如,微控制器控制的晶振(MCXO)利用一个嵌入式控制器根据所需的算法处理温度输入并借助数模转换器来操控一个“牵引调整”压变电容。可用的晶振频率约从1到60MHz。典型的稳定性参数范围是±0.2到±2.5ppm;老化速率是±0.5到±2ppm/年。


VCXO和XO是为以直流输入的方式进行外部频率控制而优化设计的,外接电压控制一个内部压变电容来改变其容值以实现对输出频率小范围的调整。它们主要是为在窄带PLL中用作VCO而设计的。


其常用频率范围从1到60MHz。典型可变范围从±10到±2000ppm。老化速率一般在±1到±5ppm/年。其带温度补偿的版本称为VCTCXO,也还有其它一些变种组合。


Silicon Labs公司提供采用内部多PLL、在10MHz到1.4GHz输出频率范围内带DSP滤波器的XO和VCXO(图6)。Si530和Si550是由制造商编程的,而Si570是用户可通过I2C总线编程的。稳定性可选范围从±20到±200ppm。它们采用的表面封装的大小是5×7mm。



如何为电子产品选择合适的晶振


OCXO把晶体以及有时整个振荡器电路都放在一个小加热腔内。反馈回路内的一个直流加热元件使任一精准和稳定输出频率的温度都几乎恒定。对蜂窝基站、电信、本地局域及广域网络(如Sonet)和GPS等关键应用来说,OCXO是最佳选择。


但OCXO的功耗要高得多,一般在1到3W。典型稳定指标是±1×10-8。典型老化率在±0.2ppm/年到±2.0×10-8/年之间。若将另一个OCXO放在第二个热腔内,则OCXO架构还可实行更高的精度和稳定性。



如何为电子产品选择合适的晶振


你需要的晶振唯一取决于你的应用(见表)。Fox Electronics的工程销售经理David Meaney表示,蜂窝手机和消费电子产品是晶振的最大用户,紧随其后的是与网络和计算机相关的应用。与晶振供应商的紧密合作很关键,这样才能确保你切实得到你想要和需要的晶振。


作者:Louis E. Frenzel
《Electronic Design》

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