振荡器最重要的参数是什么?这些注意事项你都了解吗?

2019-05-23 08:54:16 来源: MEMS
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据介绍,选择合适的振荡器通常需要权衡多个因素。本文将简单阐述影响振荡器最关键的八大参数。

 

选择电子元件时,你首先考虑的是什么?很有可能是处理器或系统的其它核心元件。定时器件可能是浮现在你脑海中的最后一样东西,尽管时钟信号是系统中所有信号赖以存在的“心跳”。

 

为应用选择正确工作频率的定时器件可能看起来很简单,不过仍然有许多影响系统性能的因素需要考虑。那么,最重要的参数和注意事项是什么?下文将对振荡器的主要参数及其重要性做简要概述。

 

图1:选择振荡器时,工程师应重点考虑的八项参数

 

1. 频率

振荡器的最基本参数是频率,即振荡器输出信号的重复率(周期)。频率以赫兹(Hz)为单位,即每秒所包含的周期数。目前,SiTime的振荡器可为低功耗器件提供低至1Hz的频率,同时也支持高至725MHz的器件。SiTime振荡器的频率可在其频率范围内进行编程,精确到小数点后六位。

 

2. 频率稳定性

频率稳定性是振荡器的基本性能指标之一,参考额定输出频率通常以百万分率(parts per million,ppm)或十亿分率(parts per billion,ppb)计。它表示外部条件导致的输出频率与理想值的偏差。因此,稳定性数值越小,性能越好。

 

不同振荡器类别,影响频率稳定性的外部条件可能不同,但通常包括温度变化以及在25°C时测量的初始补偿。同时还可能包括随时间变化的频率老化、频率偏移、电源电压变化和输出负载变化等电气条件。

 

3. 抖动和相位噪声

相位噪声及在时域下测量的抖动的重要度,通常被认为是继振荡器频率稳定性之后的性能指标。相位噪声和抖动与系统性能直接相关,会影响串行数据系统中的误码率(bit-error-ratio,BER)等参数。相位噪声和抖动是量化时钟信号噪声的两种方法。相位噪声用来测量频域内的时钟噪声;抖动则是用来测量时域内噪声对时钟的影响。

 

由于抖动和相位噪声是影响系统时序误差的主要因素,因此在评估总时序预算时,需充分考虑时钟噪声。这并不是一件简单的事情。并非所有振荡器厂商都会以相同的方式指定抖动。抖动要求因应用而异,频域内测量的集成相位抖动分别有不同类型的抖动和不同的集成范围。

 

4. 输出信号格式

芯片组供应商可以为定时芯片指定所需的输出信号模式。输出类型分为两类:单端或差分。单端振荡器成本较低,易于实现,但也有局限性。例如它们对电路板噪声比较敏感,因此通常更适合166MHz以下的频率。LVCMOS(Low-voltage CMOS)是最常见的单端输出类型,可以轨到轨摆动。

 

差分信号相对来说则是一种更昂贵的选择,但其性能更好,是高频应用的首选。由于差分走线常见的所有噪声都将被消除,因此此模式对外部噪声不那么敏感,会产生较低的抖动和电磁干扰(EMI)。最常用的差分信号类型包括LVPECL、LVDS和HCSL。

 

5. 电源电压

电源电压,以伏特(V)为单位,是操作振荡器所需的输入电源。电源电压通过VDD引脚为振荡器供电,因此有时也被称为VDD。单端振荡器的标准电压包括1.8V、2.5V和3.3V。现代差分振荡器的电压通常介于2.5V和3.3V之间。

 

6. 电源电流

电源电流是指振荡器的最大工作电流,以微安(μA)或毫安(mA)为单位,在最大电压或标称电压下进行测量。典型电源电流是在没有负载的情况下测量的。

 

7. 工作温度范围

工作温度范围规定了器件预期工作的环境温度,需符合数据规格。常见的温度范围是:

- 商业级、车规级4级:0至+70°C

- 商业扩展级:-20至+70°C

- 工业级、车规级3级:-40至+85°C

- 工业扩展级,车规级2级:-40至+105°C

- 车规级1级:-40至+125°C

- 军工级:-55至125°C

- 车规级0级:-40至150°C

 

8. 封装

振荡器通常采用金属、陶瓷或塑料封装技术,采用多种行业标准封装尺寸。焊盘(引脚)的排列可能因供应商而异,但x-y的整体尺寸是标准化的。通常有四个引脚的单端振荡器的常见封装尺寸包括:

- 2016:2.0 x 1.6 mm

- 2520:2.5 x 2.0 mm

- 3225:3.2 x 2.5 mm

- 5032:5.0 x 3.2 mm

- 7050:7.0 x 5.0 mm

差分振荡器有六个引脚,通常采用较大的3225、5032和7050封装尺寸。

 

一些专用振荡器,如恒温控制式晶体振荡器(OCXO),采用的封装尺寸要大得多。通常为25.4 x 25.4mm,范围从9.7 x 7.5mm到135 x 72mm。

 

图2:振荡器的封装类型丰富

 

其它参数

本文中所列出的八项参数是设计人员在选择振荡器时最常用的规格参数。但是根据应用的不同,有时还需考虑许多其它参数和功能。这些参数包括降低EMI特性、频率微调的拉动范围、启动时间和质量/可靠性等。

 

对于高性能应用,除了保证基本的频率稳定性之外,还应考虑其它额外的稳定性相关规格要求。比如老化、频率与温度的斜率(ΔF/ΔT)、热滞后、阿伦方差(Allan deviation)、哈达玛方差(Hadamard Variance)、保持特性(holdover)和重现性(retrace)等。

 
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