晶體振蕩器通常是設計師最后考慮的組件之一，但錯誤的部分會迅速扼殺設計。此外，搜索各種各樣的可用振蕩器及其功能可能會令人困惑。在選擇振蕩器時，您應該問自己四個關鍵問題。您找到的答案將有助于確保滿足您的設計要求。

您需要晶體還是振蕩器?

雖然它們可能看起來相同并且共享許多規格，但晶體和振蕩器是非常不同的設備。封裝的晶體是一塊石英，經過切割和拋光，以具有高 Q 值的特定頻率諧振。它不包含驅動石英產生時鐘輸出的振蕩器電路。相反，驅動電路位于晶體所連接的設備內部。

相比之下，晶體振蕩器或 XO 是一個完整的設備，它包含石英晶體、振蕩器電路、輸出驅動器和潛在的鎖相環 (PLL)。XO 提供指定頻率和信號格式的時鐘輸出，例如 CMOS、LVDS 和 LVPECL。振蕩器既可以直接驅動芯片，也可以通過緩沖器饋送以提供特定頻率的多個副本。

大多數消費類和電池供電的應用使用片上系統 (SoC) 器件，該器件具有集成的振蕩器電路和用于時鐘合成的簡單、低成本晶體。對于高端應用(數據中心、電信、工業自動化等)，通常使用外部 XO 為 SoC 的內部 PLL 提供參考時序。

使用片外時鐘源是有利的，因為它提供了一個獨立的、隔離的參考時鐘，經過優化以提供低抖動操作和最小的串擾。另一個顯著的好處是振蕩器集成了電源噪聲抑制功能，以最大限度地減少板級噪聲對時鐘抖動的影響。

需要什么樣的抖動性能?

時序抖動是一種測量時鐘信號純度的方法。抖動越低，噪音就越小。由于振蕩器通常用作系統的本地“心跳”，因此需要干凈且低抖動的輸出。

抖動是在示波器上的時域中測量的——例如，周期抖動和周期到周期抖動——或者在相位噪聲分析儀的頻域中測量，RMS 相位抖動集成在一個頻帶上，例如 12 kHz至 20 MHz，如圖所示。

圖 ：XO 相位噪聲查找工具。

<250 fs-RMS 的低相位抖動 XO 在高性能應用中至關重要，因為高水平的時鐘抖動會導致無法接受的高誤碼率 (BER)、流量丟失或系統通信丟失。因此，當有疑問時，從較低抖動的時鐘源開始總是更安全，以提供更大的抖動余量。在理想情況下，由振蕩器驅動的應用程序或芯片組將提供最大允許抖動規范以及相應的集成頻帶、相位噪聲掩模和雜散要求。在這種情況下，主要考慮的是振蕩器需要多少抖動余量，以允許來自時序路徑下游的緩沖器或其他芯片的任何附加抖動。

另一個考慮因素是一些 XO 數據表只宣傳“典型”抖動規范。它不保證器件在工藝、電壓、溫度和頻率變化方面的性能。通常情況下，硬件設計人員不會對系統的所有關鍵組件有一套全面的抖動要求。參考設計在這種情況下很有幫助，因為設計的振蕩器已經過審查。與提供各種具有不同抖動和成本選項的振蕩器以及幫助您確定最合適的在線工具的供應商合作也可能會有所幫助。同樣，當有疑問時，從較低抖動的振蕩器開始總是更安全，然后再評估寬松的抖動選項，作為未來降低成本的潛在途徑。

你的頻率會改變嗎?

許多振蕩器應用只需要一個單一的固定頻率，例如 156.25 MHz。在其他情況下，振蕩器提供的頻率可能需要改變。例如，12G-SDI 視頻成幀器可能需要在 297 MHz 和 297/1.001 MHz 兩種不同的視頻幀速率之間切換。

在其他時候，可能需要有意添加一個小的頻率偏差作為余量測試的一部分，以對系統級建立和保持時間進行壓力測試。也許最常見的是，設計人員可能還不知道最終設計將使用哪個頻率，但他們知道他們需要一個振蕩器來提供這個參考。

對于此類應用，理想的解決方案是提供多個預存儲頻率的振蕩器。雙振蕩器和四振蕩器可用于這些應用。這些器件的輸出頻率可通過引腳選擇，從而使單個 XO 能夠替代多個振蕩器和一個多路復用器。如果應用需要整數和小數時鐘的混合，請選擇在所有目標頻率上提供始終如一的低抖動操作的器件。

另一種有用的振蕩器類型是 I 2 C 可編程 XO。這些器件提供最大的頻率靈活性，在寬頻率范圍內提供一致的低抖動操作。這些設備可以即時重新編程，以提供幾乎無限數量的頻率。

它們對于原型設計和在數字 PLL 架構中的使用也非常有用，其中主機處理器提供快速數字反饋機制以允許 XO 鎖定和跟蹤參考信號。

頻率穩定性有多重要?

頻率穩定性是衡量振蕩器輸出頻率在工作期間由于溫度變化而可能發生多少變化的量度。如果頻率漂移超出應用程序的預期，則可能會出現時序錯誤。相對于特定溫度范圍內的標稱頻率，頻率穩定性以百萬分之幾或 ppm 表示。

振蕩器在制造過程中使用以不同角度切割的石英晶體來產生不同的溫度響應。常見的 XO 溫度穩定性等級包括 ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。較低的 ppm 意味著輸出頻率在給定的溫度范圍內更穩定。

值得注意的是，頻率穩定性只是了解振蕩器頻率可能變化多少的一個方面。對潛在頻率偏差的完整測量稱為總穩定性，它是隨溫度變化的頻率穩定性、25°C 時的初始精度以及特定時間和溫度下的老化的總和。如圖所示，總穩定性揭示了振蕩器在其使用壽命期間可能產生的最壞情況下的可能頻率。

圖 ：總穩定性的組成部分。

XO 在整個溫度范圍內可能具有出色的頻率穩定性，但這種測量僅與它在室溫下提供的標稱頻率有關。因此，對于某些器件(例如 SAW 振蕩器)而言，初始精度誤差可能非常大，必須加以考慮。

同樣，石英晶體會在很長一段時間內緩慢老化，這會導致輸出頻率緩慢漂移。一些振蕩器供應商規定在25°C時僅老化一年，而較為保守的供應商則規定在更高溫度下老化10年，為長期運行提供更可靠的保證。

老化條件會對振蕩器的總穩定性產生重大影響，有時會使蘋果與蘋果之間的比較變得困難。如有疑問，在更嚴格的條件下使用具有保證規格的計時設備會更安全，以提供更大的設計余量。

審核編輯：湯梓紅