如何为您的设计选择合适的振荡器

晶体振荡器通常是设计师最后考虑的组件之一，但错误的部分会迅速扼杀设计。此外，搜索各种各样的可用振荡器及其功能可能会令人困惑。在选择振荡器时，您应该问自己四个关键问题。您找到的答案将有助于确保满足您的设计要求。

您需要晶体还是振荡器?

虽然它们可能看起来相同并且共享许多规格，但晶体和振荡器是非常不同的设备。封装的晶体是一块石英，经过切割和抛光，以具有高 Q 值的特定频率谐振。它不包含驱动石英产生时钟输出的振荡器电路。相反，驱动电路位于晶体所连接的设备内部。

相比之下，晶体振荡器或 XO 是一个完整的设备，它包含石英晶体、振荡器电路、输出驱动器和潜在的锁相环 (PLL)。XO 提供指定频率和信号格式的时钟输出，例如 CMOS、LVDS 和 LVPECL。振荡器既可以直接驱动芯片，也可以通过缓冲器馈送以提供特定频率的多个副本。

大多数消费类和电池供电的应用使用片上系统 (SoC) 器件，该器件具有集成的振荡器电路和用于时钟合成的简单、低成本晶体。对于高端应用(数据中心、电信、工业自动化等)，通常使用外部 XO 为 SoC 的内部 PLL 提供参考时序。

使用片外时钟源是有利的，因为它提供了一个独立的、隔离的参考时钟，经过优化以提供低抖动操作和最小的串扰。另一个显着的好处是振荡器集成了电源噪声抑制功能，以最大限度地减少板级噪声对时钟抖动的影响。

需要什么样的抖动性能?

时序抖动是一种测量时钟信号纯度的方法。抖动越低，噪音就越小。由于振荡器通常用作系统的本地“心跳”，因此需要干净且低抖动的输出。

抖动是在示波器上的时域中测量的——例如，周期抖动和周期到周期抖动——或者在相位噪声分析仪的频域中测量，RMS 相位抖动集成在一个频带上，例如 12 kHz至 20 MHz，如图所示。

图 ：XO 相位噪声查找工具。

<250 fs-RMS 的低相位抖动 XO 在高性能应用中至关重要，因为高水平的时钟抖动会导致无法接受的高误码率 (BER)、流量丢失或系统通信丢失。因此，当有疑问时，从较低抖动的时钟源开始总是更安全，以提供更大的抖动余量。在理想情况下，由振荡器驱动的应用程序或芯片组将提供最大允许抖动规范以及相应的集成频带、相位噪声掩模和杂散要求。在这种情况下，主要考虑的是振荡器需要多少抖动余量，以允许来自时序路径下游的缓冲器或其他芯片的任何附加抖动。

另一个考虑因素是一些 XO 数据表只宣传“典型”抖动规范。它不保证器件在工艺、电压、温度和频率变化方面的性能。通常情况下，硬件设计人员不会对系统的所有关键组件有一套全面的抖动要求。参考设计在这种情况下很有帮助，因为设计的振荡器已经过审查。与提供各种具有不同抖动和成本选项的振荡器以及帮助您确定最合适的在线工具的供应商合作也可能会有所帮助。同样，当有疑问时，从较低抖动的振荡器开始总是更安全，然后再评估宽松的抖动选项，作为未来降低成本的潜在途径。

你的频率会改变吗?

许多振荡器应用只需要一个单一的固定频率，例如 156.25 MHz。在其他情况下，振荡器提供的频率可能需要改变。例如，12G-SDI 视频成帧器可能需要在 297 MHz 和 297/1.001 MHz 两种不同的视频帧速率之间切换。

在其他时候，可能需要有意添加一个小的频率偏差作为余量测试的一部分，以对系统级建立和保持时间进行压力测试。也许最常见的是，设计人员可能还不知道最终设计将使用哪个频率，但他们知道他们需要一个振荡器来提供这个参考。

对于此类应用，理想的解决方案是提供多个预存储频率的振荡器。双振荡器和四振荡器可用于这些应用。这些器件的输出频率可通过引脚选择，从而使单个 XO 能够替代多个振荡器和一个多路复用器。如果应用需要整数和小数时钟的混合，请选择在所有目标频率上提供始终如一的低抖动操作的器件。

另一种有用的振荡器类型是 I 2 C 可编程 XO。这些器件提供最大的频率灵活性，在宽频率范围内提供一致的低抖动操作。这些设备可以即时重新编程，以提供几乎无限数量的频率。

它们对于原型设计和在数字 PLL 架构中的使用也非常有用，其中主机处理器提供快速数字反馈机制以允许 XO 锁定和跟踪参考信号。

频率稳定性有多重要?

频率稳定性是衡量振荡器输出频率在工作期间由于温度变化而可能发生多少变化的量度。如果频率漂移超出应用程序的预期，则可能会出现时序错误。相对于特定温度范围内的标称频率，频率稳定性以百万分之几或 ppm 表示。

振荡器在制造过程中使用以不同角度切割的石英晶体来产生不同的温度响应。常见的 XO 温度稳定性等级包括 ±20 ppm、±50 ppm 和 ±100 ppm。较低的 ppm 意味着输出频率在给定的温度范围内更稳定。

值得注意的是，频率稳定性只是了解振荡器频率可能变化多少的一个方面。对潜在频率偏差的完整测量称为总稳定性，它是随温度变化的频率稳定性、25°C 时的初始精度以及特定时间和温度下的老化的总和。如图所示，总稳定性揭示了振荡器在其使用寿命期间可能产生的最坏情况下的可能频率。

图 ：总稳定性的组成部分。

XO 在整个温度范围内可能具有出色的频率稳定性，但这种测量仅与它在室温下提供的标称频率有关。因此，对于某些器件(例如 SAW 振荡器)而言，初始精度误差可能非常大，必须加以考虑。

同样，石英晶体会在很长一段时间内缓慢老化，这会导致输出频率缓慢漂移。一些振荡器供应商规定在25°C时仅老化一年，而较为保守的供应商则规定在更高温度下老化10年，为长期运行提供更可靠的保证。

老化条件会对振荡器的总稳定性产生重大影响，有时会使苹果与苹果之间的比较变得困难。如有疑问，在更严格的条件下使用具有保证规格的计时设备会更安全，以提供更大的设计余量。

审核编辑：汤梓红