高性能抖動衰減器和時鐘發生器的推薦晶體、TCXO和OCXO參考手冊

附錄A——如何為您的應用程序選擇合適的XTAL

L1（運動電感）和C1（運動電容）：L1和C1表示構成XTAL電氣LC模型的值。這些值決定了XTAL的諧振頻率和品質因數Q以及ESR。

CO（分流電容）：所有XTAL都有小電極，將XTAL連接到封裝引腳。電極與XTAL的LCR模型并聯形成分流電容。C0和C1與L1一起以稱為反共振頻率的頻率共振。

ESR（等效串聯電阻）：XTAL在諧振時的等效阻抗是等效串聯電阻?？紤]到C1/C0的比率非常小，它主要由電阻分量R1主導。

為了發生穩定的振蕩，驅動振蕩器的負阻抗必須比XTAL的ESR高3到4倍。圖4.2顯示了確保XTAL在48 MHz至54 MHz范圍內穩定振蕩所允許的最大ESR。在該圖中，分流電容C0位于水平軸上，而最大ESR顯示在垂直軸上。為確保穩定振蕩，XTAL的ESR必須低于為該XTAL指定的最大C0曲線。使用高于此曲線的XTAL可能無法確保在所有條件下都能穩定振蕩。

圖3.2。48-54MHz XTAL的最大ESR與分流電容C0

同樣，圖4.3顯示了確保XTAL在25 MHz范圍內穩定振蕩所允許的最大ESR。

圖3.3。25 MHz XTAL的最大ESR與分流電容C0

Q（品質因數）：這決定了XTAL的頻率共振峰的寬度。Q值越高，寬度越窄，精度越高。它被定義為諧振頻率下電抗與串聯電阻的比值。XTAL通常具有約70000至200000的高Q值。

高Q意味著更好的近相位噪聲。這也意味著振蕩器負載電容變化的頻率偏移較小，以及由于振蕩器電源電壓等其他外部因素引起的偏移較小。較高的ESR會降低Q值。

CL（負載電容）：這是加載XTAL以進行適當振蕩所需的額外電容。該規格應與內置Si534x/7x/8x/9x振蕩器內部提供的負載相匹配，通常為8pF。負載電容的不匹配會改變XTAL振蕩頻率。

驅動級別：必須限制XTAL的功耗，否則XTAL的可靠性可能會降低。XTAL必須容忍的最大驅動電平通常在其數據表中以微瓦（μW）為單位指定。對于高ESR XTAL，XTAL中消耗的功率可能會增加。

除了這些電氣規格外，XTAL供應商還指定了機械性能和制造信息。XTAL尺寸也可能很重要，因為這會影響XTAL的放置位置。較小的XTAL可以放置在Si534x/7x/8x/9x附近，從而縮短跡線長度。

XTAL物理尺寸

XTAL有多種尺寸，包括帶引線的通孔組件和表面安裝組件。最常見的表面安裝封裝是帶有焊接或釬焊金屬蓋的矩形4針封裝。四個引腳中的兩個用于連接XTAL的每一側。其余2個引腳連接到Si534x/7x/8x/9x器件上的XTAL屏蔽引腳，通常標記為“X1”和“X2”。這些包裝是根據包裝的X和Y尺寸指定的。例如，常見的箱子尺寸可以指定為“3.2 mm x 2.5 mm”，也可以簡化為“3225”。同樣，有2520、2016、1612等尺寸。對于較大的封裝尺寸，通常對XTAL的電氣參數影響很小。然而，在較小的尺寸下，由于需要安裝在這些封裝中的物理尺寸較小的XTAL，ESR和Q可能會受到影響。

為您的應用程序選擇正確XTAL的步驟

1.標稱XTAL頻率必須與CBPro應用程序/參考頁面上ClockBuilder?Pro（CBPro）頻率計劃中設置的值相匹配。如果XTAL頻率不同，Si534x/7x/8x/9x無法穩定運行。

2.考慮到所有因素的XTAL總變化必須符合Si534x/7x/8x/9x器件數據表中規定的值，以確保最佳性能。

3.XTAL最大ESR必須低于C0/ESR曲線。較高的ESR XTAL可能無法在所有條件下可靠啟動。

4.XTAL CL應與Si534x/7x/8x/9x數據表中給出的值相匹配，以確保正確的振蕩頻率。然而，通過在外部添加額外的電容，可以使用CL=12pF的XTAL。

5.XTAL驅動器級別必須指定得足夠高，才能在Si534x/7x/8x/9x數據表中指定的值下運行，以確保長期可靠的行為。

4.附錄B——如何為您的應用選擇合適的XTAL振蕩器

XTAL振蕩器簡介

XTAL振蕩器（XO）：這是最基本的振蕩器類型，封裝中有XTAL和驅動電路。頻率穩定性在ppm量級。這些都非常劃算。

溫度補償XTAL振蕩器（TCXO）：顧名思義，振蕩器會根據其溫度的變化進行補償。根據XTAL的特性，我們知道頻率會隨著溫度和負載電容的變化而變化。在TCXO的情況下，溫度效應通過有目的的電容性負載來平衡，與XO相比，這提高了頻率精度?？梢垣@得接近1ppm的精度，然而，這需要額外的成本。

烤箱控制的XTAL振蕩器（OCXO）：它在包裝中內置了一個烤箱，它不會補償溫度影響，而是將烤箱加熱到XTAL的零ppm溫度。在這種情況下，由于烤箱無法冷卻XTAL，因此使用的XTAL的零ppm溫度需要高于預期的環境溫度。這些具有非常高的穩定性，在ppband的順序上也緩慢老化。還有一種雙烤箱版本的振蕩器，即烤箱控制的OCXO，它將整個OCXO放置在烤箱內以保持溫度?？鞠浜?a href="http://www.nxhydt.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路大大增加了OCXO的成本，通常是振蕩器中最昂貴的。

壓控XTAL振蕩器（VCXO）：這是XO的擴展，具有額外的可調性。通過施加控制電壓，VCXO的頻率可以在100秒到1000秒的ppm范圍內調整，但是，調諧范圍不如VCO寬。這些振蕩器通常用作級聯PLL中第二PLL的參考。這些振蕩器的成本介于XO和TXCO之間。

下表總結了不同類型振蕩器之間的差異。

表4.1。XO比較

與選擇XTAL的過程類似，XO也需要根據要求評估其屬性和性能。

數據表電氣規格

頻率：工作頻率由振蕩器內XTAL的共振決定。振蕩器有從kHz到MHz的各種頻率。

頻率精度和穩定性：在定時和同步應用中，頻率精度是主要關注點之一。即使是很小的頻率偏差也會導致同步丟失。因此，頻率隨時間和溫度保持穩定至關重要。

該誤差以ppm（百萬分率）或ppb（十億分率）來定義。

ppm誤差=（（實際頻率-理想頻率）/理想頻率）x106

ppm誤差=（（實際頻率-理想頻率）/理想頻率）x 109

導致此錯誤的因素有：

初始容差：這是由于振蕩器內部的XTAL造成的。XTAL的切割不精確和寬度不均勻導致固有的頻率偏移。這是在25°C的室溫下定義的。

溫度穩定性：這種變化是由于XTAL引起的。數據表規格指示了0ppm溫度以上和以下的最小和最大變化。對于簡單的XO，穩定性遵循XTAL的三階溫度曲線。最大偏差為幾十ppm。

對于TCXO，通過改變負載電容來補償這條三階曲線。因此，TCXO比簡單的XO具有更好的溫度穩定性，約為0.1ppm。OCXO具有最佳的溫度穩定性，因為烤箱內的XTAL溫度保持在0ppm左右。OCXO的精度約為0.01ppm。

電源電壓靈敏度：由于電源變化導致的標稱頻率變化定義了這種靈敏度。通常，±5%的電源電壓變化是可以容忍的，電源中的任何噪聲都會直接提高輸出相位噪聲。因此，始終建議使用清潔且經過過濾的電源。OCXO的靈敏度為幾十ppb，TCXO的靈敏度通常在50 ppb左右。對于XO，它通常與整體精度規范相結合，表明它不是很重要。

負載靈敏度：負載電容的變化會影響標稱頻率，但影響不大。對于負載條件變化的±10%（標準負載通常為10 pF |10 kΩ），頻率變化（單位為ppb）定義了負載靈敏度。該值對于OCXO為數十ppb，對于TCXO為數百ppb。對于XO，它通常與整體精度規格相結合。

回流靈敏度：在回流焊接過程中，振蕩器會經受高溫，然后冷卻。這可能會導致頻率偏移，稱為回流靈敏度。它以ppm表示。

老化：振蕩器內的XTAL是一個機電設備，因此會老化。老化通常在運行的最初幾個小時內更高，并隨著時間的推移而減慢。由于老化是以多種方式指定的，因此最合適的值是振蕩器在系統中承受的最高溫度下的長期老化規范。

活動下降：振蕩器輸出值的突然變化稱為活動下降。供應商必須測試凹陷并指定值。

讓我們來看一個例子。假設一個典型的40 MHz TCXO的初始容差為1 ppm，溫度穩定性為0.3 ppm，電源電壓容差為0.1 ppm，最大10%負載變化的負載靈敏度為0.2 ppm，每次回流偏移為1 ppm和1ppm老化。該TCXO的總體誤差是單個誤差的總和。

總誤差=1+0.3+0.1+0.2+1+1=3.6ppm

輸出特性：輸出可以是差分型或單端型。所有Si53x/4x/7x/8x芯片都有Inx和XA/XB引腳的差分輸入。差分信號有助于降低共模噪聲。然而，低成本單端輸出XO也可以使用衰減器電路進行接口連接，以限制最大擺動。有關更多詳細信息，請參閱應用說明第5節（“AN905：外部參考：優化性能”）。建議XA/XB引腳上的轉換速率為400 V/s（最小值），以獲得芯片的最佳相位噪聲性能。使用衰減器電路來減少擺動時，必須小心，使電路的負載阻抗符合振蕩器負載規格。

工作溫度：這是保證振蕩器按照數據表規范運行的溫度范圍。工作溫度范圍應適應系統溫度范圍。

功率：增加功耗是為了區分OCXO和其他振蕩器。由于OCXO內置了一個烤箱，它最初會消耗高功率來加熱，直到頻率穩定。由于烤箱始終存在，OCXO消耗的總功率高于其他烤箱。有時，OCXO和TCXO具有類似于VCXO的控制電壓引腳，可用于拉取頻率，因此需要額外的低噪聲電源。

啟動時間：雖然沒有標準來定義最小啟動時間，但根據應用程序，這個時間會有所不同。由于烤箱的加熱時間，OCXO需要幾十分鐘才能穩定到正確的頻率。其他振蕩器需要毫秒才能達到穩定的頻率。

相位噪聲性能：相位噪聲提供了時鐘信號頻譜的清潔度。它被定義為偏離主載波頻率的功率，單位為dBc/Hz。輸入時鐘主導著外環帶寬以下的區域，而參考振蕩器主導著外環路帶寬以上和內環帶寬內的區域。對于無線應用，需要優化近相位噪聲（約100-1000Hz）。對于以太網和SONET應用，12 kHz至20 MHz頻帶是值得關注的。除了這些測量之外，輸入和參考的任何雜散都會降低輸出相位噪聲。

在感興趣的頻帶上集成的相位噪聲會產生RMS抖動。積分帶和RMS值由不同的標準指定。

漂移產生：ITU-T GR.8262標準規定了鎖定模式下產生的MTIE和TDEV漂移。這測量了僅由該定時源產生的漂移。該設備被鎖定到具有非常低（3Hz或100mHz）外環帶寬的無漂移輸入。因此，參考的選擇起著重要作用，因為輸出的漂移直接來自參考。因此，參考振蕩器需要在室溫和超溫條件下滿足定義的漂移規格。

長期保持精度：ITU-T GR.8262標準規定了另一個術語的漂移：保持模式下的長期相位瞬態。它是輸出時鐘相對于失去輸入之前最后一個輸入時鐘沿的相位差。Si53x/4x/7x/8x在滯留中的穩定性直接取決于參考的穩定性。因此，有必要測試參考精度。ITU-T GR.8262第11節規定了限制。

抖動/漂移轉移：這是定時芯片的一個功能。Si53x/4x/7x/8x輸出端的抖動和漂移取決于從輸入到外環截止頻率的抖動。因此，低于外環截止值的輸入抖動對于滿足輸出值非常重要。ITU-T GR.8262第10節更詳細地解釋了傳輸。

抖動/漂移容忍度：這也是定時芯片的一個功能，它決定了在失去鎖定之前可以容忍多少輸入抖動。ITU-T GR.8262第9節規定了以太網應用的容差掩碼。

為您的應用選擇合適的XTAL振蕩器的步驟

1.選擇您應用所需的振蕩器類型。您可以使用第13頁的表4.1 XO比較作為初步指導。

2.第16頁表4.2概述了不同應用中應考慮的重要振蕩器規格。

表4.2。振蕩器規格

3.應驗證峰間振幅，必要時應使用衰減器。請參閱正在使用的Sili-con Labs設備的參考手冊。

4.轉換速率需要符合所用Silicon Labs器件的數據表規范。

5.XO的相位噪聲決定了DSPLL帶寬以上高達約1MHz的輸出相位噪聲。XO需要在相位噪聲中具有大約20dB的裕度，以適應來自設備的附加相位噪聲。

5.修訂歷史

修訂版1.1

2018年9月

?增加了Si537x/9x設備覆蓋范圍。

?增加了附錄，解釋了如何為最終應用選擇合適的晶體和晶體振蕩器。

?從推薦零件表中刪除停產零件。

?在推薦的零件表中添加了新零件。

?在推薦的零件表中添加了指示零件族的信息，以便在供應商網站上更容易找到這些零件。

修訂版1.0

2017年1月

?首次發布。

免責聲明

Silicon Labs打算為使用或打算使用Silicon Labs產品的系統和軟件實施者提供所有外圍設備和模塊的最新、準確和深入的文檔。特性數據、可用模塊和外圍設備、內存大小和內存地址是指每個特定的設備，提供的“典型”參數在不同的應用中可能會有所不同。本文所述的應用示例僅用于說明目的。Silicon Labs保留在不另行通知的情況下對本文中的產品信息、規格和描述進行更改的權利，并且不對所包含信息的準確性或完整性作出保證。Silicon Labs對使用本文提供的信息的后果不承擔任何責任。本文檔并不暗示或明示本協議項下授予的設計或制造任何集成電路的版權許可。未經Silicon Labs明確書面同意，這些產品不得在任何生命支持系統中使用。“生命支持系統”是指任何旨在支持或維持生命和/或健康的產品或系統，如果它發生故障，可以合理地預期會導致重大的人身傷害或死亡。Silicon Labs的產品不是為軍事應用而設計或授權的。Silicon Labs的產品在任何情況下都不得用于大規模殺傷性武器，包括（但不限于）核武器、生物武器或化學武器，或能夠運載此類武器的導彈。

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