在設計中,大多數的電子系統需要某種振盪器作為關鍵功能區塊。一些典型的用途包括:作為時脈,用於同步操作的數位系統中;用於接收器或發射器的穩定RF訊號;用於精確測量的準確頻率參考;或用於精確計時的即時時脈。系統規格以及振盪器必須如何發揮作用,將決定晶體振盪器的大多數參數。

振盪器中的關鍵元件是諧振器,它將控制頻率,以及確定所能實現的穩定度。儘管採用電感-電容(LC)或電阻-電容(RC)諧振器實現的簡單振盪器可滿足一些應用的要求,但是添加石英晶體將可大幅地將元件的頻率穩定度提高好幾個數量級,而且所需的成本通常很小。

輸出頻率

任何振盪器最基本的屬性都是它所產生的頻率。根據定義,振盪器是接受輸入電壓(通常為直流電壓)並在某一頻率下產生重複交流(AC)輸出的元件。所需的頻率由系統類型以及如何使用該振盪器所決定。

有些應用需要kHz範圍的低頻晶體。常見的例子是32.768kHz的手錶晶體。 但是大多數的現有應用都需要更高頻率的晶體,範圍大約從不到10MHz到大於100MHz之間。

頻率穩定度和溫度範圍

所需的頻率穩定度由系統的要求決定。振盪器的穩定度可簡單地表述為:由於某些現象引起的頻率變化除以中心頻率。公式為:

穩定度=頻率變化÷中心頻率

例如,如果振盪器輸出頻率為10MHz,而且隨溫度變化了10Hz,則其溫度穩定度為:10/10,000,000 = 1x10-6=1ppm。晶體振盪器的典型穩定度可以在100ppm至0.001ppm之間。頻率穩定度通常視應用需求決定,並進而確定所需要的晶體振盪器類型。振盪器必須工作的溫度範圍是確定可達到穩定度的主要因素。

晶體振盪器類型

簡單晶體振盪器(XO): 這是最基本的類型,其穩定度完全由晶體諧振器本身的固有特性決定。 在MHz範圍內的較高頻率晶體由石英棒製成,其製造方式是即使環境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化,也可提供相對穩定的頻率。即使在這麼寬的溫度範圍內,適當切割的石英晶體也可實現±25ppm的穩定度。與諸如隨溫度變化可達1%(10,000ppm)或更高的LC振盪電路等其它被動諧振器相較,晶體振盪器的性能已大幅提升了。但對於某些應用來說,即使25ppm也不夠好,因此必須採用額外措施。

溫度補償晶體振盪器(TCXO): 如果固有頻率與石英晶體的溫度穩定度無法滿足應用要求,就可以採用溫度補償單元。TCXO使用溫度感測元件以及產生電壓曲線的電路,在整個溫度範圍內,該電壓曲線與晶體的頻率變化趨勢完全相反,所以可理想地抵消晶體的漂移。根據TCXO的類型和溫度範圍,TCXO的典型穩定度規範範圍為小於±0.5ppm至±5ppm。

恆溫控制晶體振盪器(OCXO): 對於某些應用,TCXO的頻率-溫度穩定度指標仍無法滿足要求。在這些情況下,可能需要OCXO。顧名思義,具有烤腔的振盪器將晶體加熱到更高溫度,但仍受控制,使得環境溫度即使變化大,晶體的溫度也保持穩定。由於晶體的溫度和振盪器的敏感部份變化很小,頻率-環境溫度穩定度得到顯著改善。在環境溫度範圍內,OCXO的穩定度可以達到0.001ppm。然而,這種穩定度的提升是以增加功耗為代價的,將熱量提供給烤腔當然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率以維持內部溫度。在開機後,還需要等待溫度和頻率穩定的暖機時間,取決於晶體振盪器的類型,暖機時長通常從1分鐘到10多分鐘。

壓控晶體振盪器(VCXO): 在一些應用中,期望能夠調諧或調整振盪器的頻率,以便將其鎖相到鎖相環(PLL)中的參考,或可能用於調節波形。VCXO透過電子頻率控制(EFC)電壓輸入,提供了這項功能。對於某些專用元件,VCXO的調諧範圍規格可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。

TCVCXO和VCOCXO: TCXO或OCXO通常包括EFC輸入電壓,使其得以進行調整,以便將輸出頻率精確地校準為標稱值。

20170125 Greenray TA31P1 圖1:通用振盪器方塊圖

20170125 Greenray TA31P2 圖2:不同晶體振盪器類型的頻率與溫度穩定度

輸入電壓和功率

任何類型的晶體振盪器通常都可以被設計為利用系統中已有的DC輸入供電電壓來操作。在數位系統中,通常希望使用電壓,以匹配系統中邏輯元件所用的電壓;該系統中將驅動振盪器,使其得以直接相容於邏輯電平。+3.3V或+5V是這些數位單元的典型輸入。具有較高功率輸出的其它元件可以使用較高電壓,例如+12V或+15V。另一個考慮因素是為元件供電所需的電流量。XO或TCXO可能只需要幾mA,因此在低電壓系統中,其功耗可以小於0.01W。另一方面,在上電時,一些OCXO可能需要5W或6W。

輸出波形

然後要選擇輸出波形以匹配振盪器將在系統中驅動的負載。最常見的輸出之一是CMOS,以驅動邏輯電平輸入。CMOS輸出將是在接地和系統的Vdd軌之間擺動的方波。對於高於約100MHz的較高頻率,通常使用差分方波。這些振盪器具有兩個180°反相的輸出、具有快速上升和下降時間以及非常小的抖動。最通用的類型是LVPECL和LVDS。如果振盪器用於驅動RF元件(如混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的元件),則通常會指定某個功率級的正弦波輸出。儘管如果需要可以輸出更高功率,但一般產生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之間。

封裝尺寸和外形

取決於振盪器的類型和規格,對於晶體振盪器封裝的要求將大相逕庭。簡單的時脈振盪器和一些TCXO可以安裝在小至1.2×2.5mm2的封裝中;而一些OCXO可以大到50×50mm2,對某些特定設計,甚至可以更大。雖然一些通孔封裝,如雙列直插式4或14接腳類型仍然用於較大的元件(如OCXO或專用TCXO),但目前大多數的設計都使用表面黏著封裝。這些表面黏著配置可以是密封的陶瓷封裝,或是基於FR-4、具有用於I/O建構的元件。

如上所述,當選定晶體振盪器時,有許多不同的選擇必須考慮。然而,透過檢查使用晶體振盪器的系統,最方便的選擇將變得顯而易見;例如可用於為晶體振盪器供電的輸入電壓以及振盪器的輸出將驅動的元件類型等因素。還必須考慮應用的其它限制條件,例如實體尺寸和操作環境。除了這些基本參數之外,針對特定應用,還有許多其它規格必須加以以考量。當全盤考慮這些因素後,將會找到一款滿足系統要求的晶體振盪器。