本文康比電子將要討論的最后一種諧振器技術(shù)是基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的諧振器.MEMS采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝來生產(chǎn)微型機(jī)械元件.這些器件的尺寸從微米到毫米不等.類似于高頻音叉的諧振器設(shè)計(jì)用于在靜電激勵(lì)下振動(dòng).這些諧振器的芯片結(jié)構(gòu)與可編程振蕩器/控制器集成電路結(jié)合在一起(圖1).

圖1:MEMS振蕩器模塊將MEMS機(jī)械結(jié)構(gòu)與振蕩器/控制器IC結(jié)合在一個(gè)封裝內(nèi).

振蕩器/驅(qū)動(dòng)器為MEMS結(jié)構(gòu)提供激勵(lì),并將其輸出饋送至小數(shù)N分頻鎖相環(huán)(PLL),并由該鎖相環(huán)將MEMS器件的輸出頻率乘以可編程因子"N".一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)模塊配置參數(shù).溫度補(bǔ)償可通過調(diào)節(jié)PLL內(nèi)的輸出頻率來實(shí)現(xiàn).此外,也可對(duì)PLL進(jìn)行編程,從而為振蕩器提供數(shù)字控制的頻率輸出.
可編程晶振的最大優(yōu)點(diǎn)是不受機(jī)械沖擊和振動(dòng)的影響,此優(yōu)點(diǎn)是手機(jī),相機(jī)和手表等移動(dòng)應(yīng)用中的一個(gè)重要因素.
振蕩器電路類型
模塊化振蕩器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年,目前有許多可用技術(shù).幾乎在所有情況下,電路的改進(jìn)都是為了提高石英晶體振蕩器輸出頻率的精度和穩(wěn)定性.上一段中的示例包括非石英SAW和MEMS振蕩器.應(yīng)用于石英振蕩器的技術(shù)也可應(yīng)用于任何類型的振蕩器.這些振蕩器工作時(shí)的額定負(fù)載電容均為15皮法(pF).負(fù)載電容的變化會(huì)影響工作頻率.
這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較均基于裸英晶體振蕩器(XO)(圖2).此示例是通過使用邏輯門來實(shí)現(xiàn),并且包括變?nèi)荻O管以允許調(diào)整.這些簡(jiǎn)單的振蕩器所呈現(xiàn)的頻率穩(wěn)定性約為20-100百萬分率(ppm).

圖2:使用邏輯反相器實(shí)現(xiàn)的基本晶體振蕩器提供了一種功能,通過與石英晶體串聯(lián)的變?nèi)荻O管來控制電壓.

Abracon的ASV-10.000MHZ-LCS-T是一種表面貼片晶振晶體時(shí)鐘振蕩器,具有HCMOS邏輯電平的數(shù)字輸出.這種振蕩器的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低,其頻率穩(wěn)定性為±50ppm,但該系列振蕩器中其他器件的穩(wěn)定性規(guī)格為20至100ppm.頻率漂移的主要來源是溫度變化.另一個(gè)來源是晶體老化或頻率隨時(shí)間的變化.老化率與基本穩(wěn)定性成正比.在這種振蕩器的情況下,老化率為每年±5ppm.XO適用于不需要較高的頻率穩(wěn)定性的通用應(yīng)用,包括微處理器的時(shí)鐘源等.
溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱"TCXO")增加了電路元件,以補(bǔ)償石英諧振器和放大器的溫度相關(guān)變化(圖3).

圖3:由于石英諧振器和放大器對(duì)溫度敏感,因此TCXO添加了溫度傳感器和溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來校正頻率漂移.

諸如熱敏電阻等溫度傳感器可用于產(chǎn)生校正電壓,該校正電壓通過適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)施加到與晶體串聯(lián)的可變電壓變?nèi)荻O管,從而實(shí)現(xiàn)頻率控制.這可通過改變石英晶體的容性負(fù)載來執(zhí)行.溫度補(bǔ)償可以使頻率穩(wěn)定性提高20倍或更多.
Abracon的ASTX-H12-10.000MHZ-T是一款典型的TCXO,具有HCMOS輸出電平和±2ppm的頻率穩(wěn)定性規(guī)格,其成本大約是基本XO的三倍.
另一種穩(wěn)定溫度的方法是將振蕩器模塊封裝在控溫箱中(圖4),這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為恒溫晶體振蕩器(OCXO晶振).

圖4:通過將振蕩器封裝在控溫箱(溫度設(shè)為與晶體的頻率溫度曲線斜率為零時(shí)的溫度一致)內(nèi),OCXO可使振蕩器的溫度保持穩(wěn)定.

晶體振蕩器封裝在控溫箱中.控溫箱的溫度設(shè)為晶體的頻率溫度曲線斜率為零時(shí)的數(shù)值,使得細(xì)小的溫度變化造成的振蕩器頻率變化極小或沒有變化.OCXO可將振蕩器的穩(wěn)定性提高一千倍以上.這種有源晶振適用于需要精確定時(shí)的應(yīng)用,如導(dǎo)航系統(tǒng)或高速串行數(shù)據(jù)通信.
Connor-Winfield的DOC050F-010.0M是一款具有LVCMOS輸出電平的OCXO.這款振蕩器具有指定的±0.05ppm頻率穩(wěn)定性.相對(duì)于基本晶體振蕩器,在性能得到改進(jìn)的同時(shí),具有更高的功耗(由于增加了控溫箱),更大的尺寸和更高的成本(約為XO的30至40倍).
上文討論的MEMS振蕩器就是數(shù)字控制振蕩器(DCXO)的示例.
SiTime晶振的SIT3907AC-23-18NH-12.000000X是一款基于MEMS的DCXO,具有LVCMOS邏輯輸出和10ppm頻率穩(wěn)定性.這款DCXO可使用內(nèi)部PLL對(duì)頻率變化進(jìn)行編程,其"牽引"范圍為±25至±1600ppm.
微電腦控制的晶體振蕩器(MCXO)具有與OCXO相同的頻率穩(wěn)定性,且封裝更小,功率要求更低.MCXO使用兩種方法中來穩(wěn)定其輸出頻率.第一種方法是讓源振蕩器以高于所需輸出的頻率運(yùn)行,并使用脈沖刪除來實(shí)現(xiàn)所需的輸出頻率.第二種方法是以略低于所需輸出的頻率來運(yùn)行內(nèi)部源振蕩器,并將內(nèi)部直接數(shù)字合成器(DDS)產(chǎn)生的校正頻率增加到源輸出頻率.
IQDFrequencyProducts的LFMCXO064078BULK是一種兼容HCMOS的MCXO,頻率穩(wěn)定性為0.05ppm.該產(chǎn)品系列包括10至50MHz之間關(guān)鍵固定頻率的振蕩器,其物理體積僅為88mm3,3.3V電壓下僅需10毫安(mA)電流,總功耗為33毫瓦(mW).
某些應(yīng)用需要調(diào)整振蕩器的頻率,這一調(diào)整可通過數(shù)字方式或模擬控制來完成.模擬控制使用壓控晶體振蕩器(VCXO)來完成.圖5顯示了如何通過向與諧振器串聯(lián)的變?nèi)荻O管施加電壓,并通過改變負(fù)載電容來改變其頻率的方式來調(diào)整振蕩器,這是VCXO的基本原理.
IntegratedDeviceTechnologyInc.的XLH53V010.000000I便是VCXO的一個(gè)示例,可提供HCMOS輸出電平和±50ppm的頻率穩(wěn)定性.VCXO的牽引范圍顯示了通過改變控制電壓能夠?qū)崿F(xiàn)的最大頻率偏移.該振蕩器的牽引范圍為±50ppm.對(duì)于10MHz的標(biāo)稱輸出頻率,牽引范圍為±500Hz.
諧振器部分描述的SAW振蕩器是另一種具有高可靠性特點(diǎn)的低成本振蕩器.愛普生晶振的XG-1000CA100.0000M-EBL3就是SO的一個(gè)示例.這些器件可在固定頻率應(yīng)用中使用,例如遙控發(fā)射器.它們具有良好的穩(wěn)定性和抖動(dòng)規(guī)格,但最大的好處是可靠性強(qiáng).
針對(duì)應(yīng)用選擇相符的振蕩器
一般而言,將振蕩器用作精準(zhǔn)時(shí)基的應(yīng)用都需要具有更高頻率穩(wěn)定性的振蕩器.因此,GPS相關(guān)應(yīng)用都非常適合使用基于OCXO或MCXO的振蕩器.如果某個(gè)應(yīng)用需要耐沖擊和耐振動(dòng),則SO振蕩器最合適.高速串行接口的時(shí)鐘需要低時(shí)序抖動(dòng).成本是所有設(shè)計(jì)都要考慮的一個(gè)因素,通常隨所提供的頻率穩(wěn)定性程度而變化.根據(jù)所用的技術(shù),其他諸如尺寸或功率要求等因素則取決于器件.這些因素可能需要在工程方面進(jìn)行權(quán)衡.表1對(duì)本文所討論振蕩器的主要規(guī)格進(jìn)行了比較,以幫助您關(guān)注各種振蕩器的特性和優(yōu)勢(shì).

類型	型號(hào)	諧振器	頻率(MHz)	頻率穩(wěn)定性(±ppm)	老化(±ppm)	抖動(dòng)	功率(mW)	體積(mm³)
XO	AbraconASV系列	晶體	10	50	5	2.5	33	64
VCXO	IDTXLH系列	晶體	10	50	3	1.3	106	24
SO	EpsonXG-1000CA系列	SAW	100	50	5	3	36	49
DCXO	SiTIMESIT3907AC-23-18NH系列	MEMS	10	50	5	1	62	6.6
TCXO	AbraconASTX系列	晶體	10	2.5	1	1.6a	13	4.75
MCXO	IQDLFMC系列	晶體	12	0.05	1	1.6a	61	84
OCXO	Connor-WinfieldDOC050F系列	晶體	10	0.05	0.3	1	2500/1100b	1000

備注:
a. 根據(jù)相位噪聲計(jì)算的估計(jì)值
b. 啟動(dòng)/穩(wěn)態(tài)
表1:比較各種可編程晶振所依據(jù)的典型參數(shù).每個(gè)參數(shù)的選擇均依據(jù)設(shè)計(jì)要求和其他因素(如成本和設(shè)計(jì)時(shí)的可獲得性).
表中振蕩器的排列順序是依據(jù)頻率穩(wěn)定性.請(qǐng)注意,本文中使用的是特定輸出頻率,所有這些振蕩器的各型號(hào)系列均可提供一定范圍的輸出頻率.
結(jié)論
充分了解振蕩器的結(jié)構(gòu)和操作,可以幫助設(shè)計(jì)人員集中精力找到合適的振蕩器,從而滿足其應(yīng)用需求.設(shè)計(jì)人員在為設(shè)計(jì)項(xiàng)目選擇有源晶振時(shí),總是會(huì)涉及工程權(quán)衡,其中包括成本,功率,空間,穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性;但目前可用的振蕩器種類繁多,可通過現(xiàn)成的解決方案來最大限度地減少這些權(quán)衡.

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