振荡器就像电子系统中的电源一样无处不在,有人认为它们的重要性等同于电源,在任何需要时序信号的东西中都能发现它们的应用,从数字手表到电视和PC。

 

振荡器就是可以产生一定频率的交变电流信号的电路。是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路叫振荡电路

 

振荡器简单地说就是一个频率源,一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”,其涵义就暗指交流,振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化,这样的装置就可以称为“振荡器”。

 

时钟振荡器应用电路图

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时钟振荡器的参数

---- 时钟振荡器有多种封装,它的特点是电气性能规范多种多样。它有好几种不同的类 型:电压控制晶体振荡器(VCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、恒温箱晶体振荡器

 

(OCXO),以及数字补偿晶体振荡器(DCXO)。每种类型都有自己的独特性能。

 

---- 频率稳定性的考虑

 晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性,它是决定振荡器价格的重要因 素。稳定性愈高或温度范围愈宽,器件的价格亦愈高。

设计工程师要慎密决定对特定应用的实际需要,然后规定振荡器的稳定度。指标过 高意味着花钱愈多。

对于频率稳定度要求±20ppm 或以上的应用,可使用普通无补偿的晶体振荡器。对 于成于±1 至±20ppm 的稳定度,应该考虑 TCXO。对于低于±1ppm 的稳定度,应该考虑 OC XO 或 DCXO。

 

---- 输出

必需考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压稳定度、负载稳定性、功 耗、封装形式、冲击和振动、以及电磁干扰(EMI)。晶振器可 HCMOS/TTL 兼容、ACMOS 兼 容、ECL 和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互 补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。

许多DSP 和通信芯片组往往需要严格的对称性(45%至 55%)和快速的上升和下降时间(小 于 5ns)。

 

---- 相位噪声和抖动

---- 在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中央频率的 1Hz之内和通常测量到 1MHz。

---- 振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO 和 OCXO 振荡器以及其它 利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输 出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。

 

---- 抖动与相位噪声相关,但是它在时域下测量。以微微秒表示的抖动可用有效值或峰

—峰值测出。许多应用,例如通信网络、无线数据传输、ATM 和 SONET 要求必需满足严格 的拌动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。

 

---- 电源和负载的影响

---- 振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确 选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡 器的性能。不能期望只能额定驱动 15pF 的振荡器在驱动 50pF 时会有好的表现。在超过建 议的电源电压下工作的振荡器亦会呈现坏的波形和稳定性。

 

---- 对于需要电池供电的器件,一定要考虑功耗。引入 3.3V 的产品必然要开发在 3.3V 下 工作的振荡器。

 

---- 较低的电压允许产品在低功率下运行。现今大部分市售的表面贴装振荡器在 3.3V 下 工作。许多采用传统 5V 器件的穿孔式振荡器正在重新设计,以便在 3.3V 下工作。

 

---- 封装

---- 与其它电子元件相似,时钟振荡器亦采用愈来愈小型的封装。例如,M-tron 公司的M3L/M5L 系列表面贴装振荡器现在采用 3.2&TImes;5.0&TImes;1.0mm 的封装。通常,较小型的器件比 较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。小型封装往往要在性能、输出选择和频率选 择之间作出折衷。

 

---- 工作环境

---- 振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如,高的振动或冲击水平会给振荡器带来问题。

 

---- 除了可能产生物理损坏,振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。这些外部感 应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。

 

---- 对于要求特殊 EMI 兼容的应用,EMI 是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的 P C 母板布局技术,重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说,具有较慢上 升/下降时间的振荡器呈现较好的 EMI 特性。

 

---- 对于 70MHz 以下的频率,建议使用 HCMOS 型的振荡器。对于更高的频率,可采用 ECL 型的振荡器。ECL 型振荡器通常具有最好的总噪声抑制,甚至在 10 至 100MHz 的较低频率下,ECL 型也比其它型的振荡器略胜一筹。