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瞭解晶體振盪器參數以挑選最合適的元件

作者:Bill Schweber

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

幾乎所有電子電路都採用石英晶體振盪器為負責頻率/計時準確度和效能的核心元件。因此,必須持續保持其準確和精準。當然,「完美的」振盪器只存在於理論中,因此設計人員的問題在於如何針對設計目標挑選適合的振盪器。這並不容易。

設計人員一旦決定了應用的效能需求,就必須找到適當的解決方案,符合相關電路的效能、成本、穩定度、尺寸、功率、實體結構和驅動能力的平衡。若要達到此目標,設計人員需要瞭解振盪器的操作原則、關鍵特性,以及演進歷程。

本文提供晶體振盪器基本概覽,並且探討與高效能晶體振盪器模組相關的各層面。接著,以 ECS Inc. 具有代表性的元件簡要回顧這些振盪器的基礎知識,以及辨識首要和次要的參數,以及這些參數的真實數值。也會展示在一些典型應用中,不同的單元如何進行匹配以符合需求。

晶體振盪器如何運作

晶體振盪器提供處理器的時脈心跳、資料鏈路的位元計時、資料轉換的取樣時間、調諧器和合成器的主頻率。簡單來說,晶體振盪器的石英成分在振盪器電路的回授網路中,作為極端高 Q 值諧振元素 (圖 1)。晶體和其振盪器的重要性不容小覷,因此石英材料的基礎物理知識、其電氣和機械效能,以及多種振盪器電路,均廣泛的受到研究及分析。

晶體作為高 Q 值、穩定、精密諧振元素圖示圖 1:晶體運用壓電效應,在振盪器電路的回授迴路中作為高 Q 值、穩定、精密諧振元素。(圖片來源:ECS Inc. International,經修改)

多年來,使用者會識別晶體的頻率和其他關鍵特性,接著使用真空管 (早期) 提供獨有的獨立振盪器電路,然後是電晶體,最後才是 IC。這種電路通常集結謹慎的設計分析和一些「藝術」和經驗為主的判斷,因為其具有許多相關的細節。設計人員會試著平衡這些因素,讓振盪器效能符合石英晶體的「切割」和特性,以及應用的優先條件。

現在,這類自己動手做 (DIY) 晶體振盪器設計已少見,因為此類設計需要耗費不少時間和精力才能取得正確的原始設計。振盪器的效能也需準確的量測。這很複雜,也需要精確的儀器和仔細的設定。因此,針對許多應用,設計人員可以購買小型、完整密封的模組,其中包含石英元素、振盪器電路,以及其輸出驅動器。這能顯著地簡化設計心力和時間,也能讓使用者取得具備完整特性的單元和保證規格的規格書。

詞彙的備註:基於歷史和其他因素,工程師常會使用「晶體 (crystal)」指稱整體晶體振盪器電路。這通常不會是個問題,因為能從上下文中理解。不過,有時候會造成困惑,因為還是可以以獨立形式購買晶體,然後提供獨立振盪器電路。本文使用「振盪器」指稱晶體加上其振盪器電路為自足式模組,而非只代表振盪器電路本體。

特性化晶體振盪器

如同其他元件,晶體振盪器的效能最初由一組最優先的參數定義。重要性順序一般如下:

工作頻率:可介於數十 kHz 至數百 MHz。若該振盪器超過基本振盪器頻率,例如達到 GHz 的範圍時,通常會使用一個鎖相迴路 (PLL) 作為倍頻器,將基頻進行升頻轉換。

頻率穩定度:這是振盪器的第二個關鍵效能因素。這定義了輸出頻率因外部狀態而與原始值的偏差,因此此數值越小越好。

有許多外部狀態會影響穩定度,許多廠商會分別將其列出,以便設計人員評估其對應用的實際影響。這些因素包含在 25⁰C 的標稱頻率的溫度相關變異,其他因素還有老化造成的長期穩定性,以及焊接、電源電壓變異、輸出負載變化等的影響。針對高效能單元,通常以 ppm 或 ppb 表明相對於標稱輸出頻率的特性。

相位雜訊和抖動:這兩者皆分類為一般的效能層面。相位雜訊顯示頻域的時脈雜訊,抖動則是顯示時域的時脈雜訊 (圖 2)。

時域中的抖動和頻域中的相位雜訊 (點選放大) 圖圖 2:時域中的抖動和頻域中的相位雜訊可同樣有效說明相同缺點。依照應用的功能選擇查看何者。(圖片來源:ECS Inc. International)

設計人員會依據應用,參考時域或頻域的錯誤。相位雜訊通常定義為在 1 Hz 頻寬,於特定頻率偏移 fm 對振盪器在頻率 fO 的訊號振幅之雜訊比。相位雜訊會降低頻率合成器的準確度、解析度、訊噪比 (圖 3),抖動則會造成計時錯誤,而在資料鏈路中增加位元錯誤率 (BER)。

相位雜訊延展振盪器的功率頻譜圖示圖 3:相位雜訊延展振盪器的功率頻譜,並且對解析度和 SNR 有重大的不良影響。(圖片來源:ECS Inc. International)

計時抖動會在類比/數位轉換中造成採樣-時間的錯誤,因此也會影響 SNR 和接著的快速傅立葉轉換(FFT) 頻率分析。

ECS Inc. 的 MultiVolt (MV) 系列標準振盪器元件提供低至 ±20 ppm 的穩定度,緊密穩定度振盪器 (SMV) 則提供低至 ±5 ppm 的穩定度。若要達到更緊密的穩定度,MultiVolt TCXO 提供 ±2.5 ppm 效能及 HCMOS 輸出和 ±0.5 ppm 截波正弦波輸出 (下文會說明 TCXO 和截波正弦波)。

無論何域,相位雜訊/抖動都是高效能設計重要的因素,並且都要加入錯誤預算的考量,同時納入應用的需求。請注意,抖動有許多種,包含絕對抖動、逐週期抖動、積分相位抖動、長期抖動、週期抖動;針對相位雜訊,也有不同的整合範圍和類型,包含白噪音和多種噪音「顏色」。

瞭解振盪器的抖動和相位雜訊特點,以及其對應用的影響會是一項挑戰。將時域和頻域的特性相互轉換並不容易,使用者應查看規格書。同樣重要的是,在整體錯誤預算中,必須瞭解各廠商合理但定義不相同的量化效能。

輸出訊號類型和驅動:這些必須符合連接的負載 (圖 4)。這兩個輸出驅動拓撲為單端和差動。

提供不同的輸出格式而且必須相容圖示圖 4:提供不同的輸出格式而且必須與振盪器負載配置相容。(圖片來源:ECS Inc. International)

單端振盪器較易實作,但對雜訊較敏感,且通常只在高達數百 MHz 較適用。這些單端輸出的類型包含:

  • 電晶體對電晶體邏輯 (TTL):0.4 V 至 2.4 V (目前較少使用)
  • 互補金氧半導體 (CMOS):0.5 V 至 4.5 V
  • 高速互補金氧半導體 (HCMOS):0.5 V 至 4.5 V
  • 低電壓互補金氧半導體 (LVCMOS):0.5 V 至 4.5 V

差動輸出較難設計,但在高頻應用中提供更佳效能,這是由於任何與差動軌跡相同的雜訊會被抵銷。這有助於保持負載電路的振盪器效能。差動訊號類型包含:

  • 正射極耦合邏輯 (PECL):3.3 V 至 4.0 V
  • 低電壓正射極耦合邏輯 (LVPECL):1.7 V 至 2.4 V
  • 電流模式邏輯 (CML): 0.4 V 至 1.2 V 和 2.6 V 至 3.3 V
  • 低電壓差動訊號 (LVDS):1.0 V 至 1.4 V
  • 高速電流控制邏輯 (HCSL):0.0 V 至 0.75 V

訊號類型的選擇基於應用優先考量和相關電路。

振盪器輸出波形可以是傳統的單頻正弦波或截波正弦波 (圖 5)。若使用比較器電路將波形轉換至方形波,會加入抖動/相位雜訊,造成降額,相較於此,類比波「最乾淨」,且最不受到抖動/相位雜訊的影響。截波正弦波會打造一個類似方波的輸出,相容於數位負載,且不會犧牲任何效能。

截波正弦波與方波相似圖示圖 5:截波正弦波與方波相似,同時達到最低額外抖動或相位雜訊。(圖片來源:ECS Inc. International)

電源電壓和電流:兩者皆降低,以符合目前較低電壓和常以電池供電的系統需求。大多數 MultiVolt 系列振盪器可以採用 1.8 V、2.5 V、3.0 V、3.3 V 的電源電壓操作。

封裝尺寸:如同操作電壓和電流,振盪器的封裝也越來越小。業界針對單端元件提供一些標準尺寸 (只需要四個連接);差動振盪器具有 6 個觸點及較大的封裝,以下為其尺寸:

1612:1.6 mm × 1.2 mm

2016:2.0 mm × 1.6 mm

2520:2.5 mm × 2.0 mm

3225:3.2 mm × 2.5 mm

5032:5.0 mm × 3.2 mm

7050:7.0 mm × 5.0 mm

與溫度大有關係

溫度為影響振盪器效能的最大外部因素。振盪器即使以低功率操作,幾乎可以忽略自體發熱,其環境溫度也會影響操作頻率,這是由於這些變化會造成石英晶體的機械尺寸和壓力改變。查看所選振盪器在預期範圍極端值時的效能非常重要。這些範圍通常描述為:

  • 商用、汽車級 4:0 至 +70°C
  • 延伸商用:-20 至 +70°C
  • 工業、汽車級 3:-40 至 +85°C
  • 延伸工業、汽車級 2:-40 至 +105°C
  • 汽車級 1:-40 至 +125°C
  • 軍事:-55 至 +125°C
  • 汽車級 0:-40 至 +150°C

在一些設計中,不僅需考慮到不同下溫度的效能,也需要符合其他可靠性規格。以 ECS-2016MVQ 為例,此小型表面黏著 MultiVolt HCMOS 輸出振盪器,適用於 1.7 至 3.6 V 操作 (圖 6)。2016 (2.0 mm × 1.6 mm,如上所述) 陶瓷封裝為 0.85 mm 高,目標應用為嚴峻的工業應用,並且符合 AEC-Q200 認證 (汽車級) 1 級溫度需求。在 1.5 至 54 MHz 的頻率範圍內,提供四個等級的頻率穩定度,從 ±20 ppm 至 ±100 ppm (-40°C 至 +85°C);相位抖動極低,在 12 kHz 至 5 MHz 之間量測僅 1 ps。

ECS 的 ECS-2016MVQ 提供 1.5 至 54 MHz 的頻率圖片圖 6:ECS-2016MVQ 提供 1.5 至 54 MHz 的頻率,以及四個等級的穩定度,介於 ±20 ppm 至 ±100 ppm。(圖片來源:ECS Inc. International)

針對超出工作範圍許多的應用,提供兩種進階的振盪器實作,即溫度補償晶體振盪器 (TCXO) 和溫控晶體振盪器 (OCXO)。(請注意,XTAL 在許多線路圖中指稱晶體,X 為其縮寫)。TCXO 使用主動電路補償由於溫度波動造成的輸出頻率改變。相反的,OCXO 的晶體振盪器置放於熱隔離爐中,經過加熱並保持在高於最大環境溫度的一致溫度 (只可加熱的爐無法冷卻至低於環境溫度)。

相較於傳統振盪器,TCXO 需要額外電路,但所需的功率比 OCXO 及其加熱爐低,僅需要數瓦。此外,TCXO 只比無補償單元稍大,且小於 OCXO。TCXO 在漂移有所提升,相較於無補償單元,達 10 至 40 倍,OXCO 可能會展現漂移效能,相比之下,提升兩個數量級,但在尺寸和功率上有大幅折衷。

ECS-TXO-32CSMV 是截波正弦波表面黏著 TCXO,具有 MultiVolt 能力 (1.7 V 至 3.465 V 電源),適用於 10 至 52 MHz 頻率 (圖 7)。3.2 × 2.5 × 1.2 mm 高陶瓷封裝非常適合可攜式和無線應用,能因應關鍵的穩定度。關鍵規格展現其在溫度、電源變化、負載變化、老化的高穩定度,以及在 2 mA 下的中等電流需求 (表 1)。

ECS 的 ECS-TXO-32CSMV 是截波正弦波輸出晶體振盪器圖片圖 7:ECS-TXO-32CSMV 是截波正弦波輸出晶體振盪器,涵蓋內部補償電路,可大幅提升穩定度效能。(圖片來源:ECS Inc. International)

溫度補償 ECS ECS-TXO-32CSMV TXCO 規格表表 1:溫度補償 ECS-TXO-32CSMV TXCO 的規格展現儘管有外部擾動,其內部補償可提升穩定度效能。(圖片來源:ECS Inc. International)

低功率操作:常為優先條件

儘管朝向更高頻處理器時脈和數據傳輸率的趨勢,極低功率應用還是針對更低頻率晶體振盪器有大量需求。舉例來說,ECS-327MVATX 是小型表面黏著振盪器,工作頻率為固定的 32.768 kHz,具有 MultiVolt 能力 (1.6 V 至 3.6 V)。其電流要求僅 200 µA,且為單端 CMOS 輸出,非常適合即時時脈 (RTC)、低功率/可攜式、工業和物聯網 (IoT) 應用。提供 2016 至 7050 封裝尺寸,頻率穩定度在 -40⁰C 至 +85⁰C 時,介於緊密的 ±20 ppm 至比較鬆散的 ±100 ppm,視型號而定。

許多振盪器亦提供啟用/停用功能,達到最低平均功耗。舉例而言,ECS-5032MV 是 125 MHz 表面黏著振盪器,具有 MultiVolt 工作能力 (1.6 V 至 3.6 V) 和 CMOS 輸出,採用 5032 陶瓷封裝 (圖 8)。

ECS 的 ECS-5032MV 是 125 MHz 表面黏著振盪器圖片圖 8:ECS-5032MV 是 125 MHz 表面黏著振盪器,具有啟用/停用功能,有助於節能。(圖片來源:ECS Inc. International)

四個觸點之一可讓振盪器進入待機模式,讓所需電流自 35 mA 主動值降至僅 10 µA 待機電流。單元重啟的啟動時間為 5 ms。

針對應用搭配規格

為應用決定合適的晶體振盪器需要在規格、優先條件、成本、相關比重中取得平衡。對於獨立振盪器而言選擇所需標稱頻率、頻率穩定度、抖動/相位雜訊和其他屬性更是重要。使用者也必須確保振盪器的輸出驅動相容於相關負載和系統,使得匹配上不會降低效能。除了這些考量,還有一些一般準則:

  • LVDS 輸出在接收器僅需單一電阻,LVPECL 在接收器和發射器都需要端子。
  • LVDS、LVPECL、HCLS 的傳輸比 CMOS 快,但需要更多功率,而且最適合高頻設計。
  • 超過 150 MHz 的應用若要達到低功耗,則較適合使用 CMOS 或 LVDS。
  • LVPECL、LVDS,以及 CMOS 在較低頻率提供最佳抖動效能。

結論

石英晶體振盪器是許多電路和系統的核心。若要確保其效能和功能符合應用需求,必須要謹慎平衡關鍵參數,包含標稱頻率準確度、穩定性與溫度的關係,以及抖動和相位雜訊等其他因素。這也需要匹配振盪器的輸出格式至負載電路的特性。ECS 的 MultiVolt 系列晶體振盪器提供優異的效能,結合完整、容易使用模組的規格。

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關於作者

Bill Schweber

Bill Schweber 是電子產品工程師,至今已撰寫三本有關電子通訊系統的教科書,以及數百篇技術文章、評論專欄,及產品特色介紹。他曾擔任 EE Times 的多個特定主題網站的技術網站管理人,以及 EDN 的執行編輯和類比技術編輯。

在類比和混合式訊號 IC 領導廠商 Analog Devices, Inc. 任職期間,Bill 從事行銷溝通 (即公關) 職務,因此他在技術及公關職能兩個方面皆有實務經驗,能與媒體雙向交流公司產品、業務事例及傳遞訊息。

Bill 在加入 Analog 從事行銷溝通職務前,原在業界舉足輕重的技術期刊擔任副主編,也曾任職於該公司的產品行銷和應用工程團隊。在此之前,Bill 於 Instron Corp. 從事材料測試用機器控制的類比電路和電源電路設計以及系統整合。

他擁有麻薩諸塞大學電機工程碩士學位和哥倫比亞大學電機工程學士學位,為註冊專業工程師,並持有進階級業餘無線電執照。Bill 也曾就各類工程主題進行線上課程的規劃、撰寫及講授,包括 MOSFET 概論、ADC 的選擇以及驅動 LED。

關於出版者

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