高性能抖动衰减器和时钟发生器的推荐晶体、TCXO和OCXO参考手册（之二）

高性能抖动衰减器和时钟发生器的推荐晶体、TCXO和OCXO参考手册

附录A——如何为您的应用程序选择合适的XTAL

L1（运动电感）和C1（运动电容）：L1和C1表示构成XTAL电气LC模型的值。这些值决定了XTAL的谐振频率和品质因数Q以及ESR。

CO（分流电容）：所有XTAL都有小电极，将XTAL连接到封装引脚。电极与XTAL的LCR模型并联形成分流电容。C0和C1与L1一起以称为反共振频率的频率共振。

ESR（等效串联电阻）：XTAL在谐振时的等效阻抗是等效串联电阻。考虑到C1/C0的比率非常小，它主要由电阻分量R1主导。

为了发生稳定的振荡，驱动振荡器的负阻抗必须比XTAL的ESR高3到4倍。图4.2显示了确保XTAL在48 MHz至54 MHz范围内稳定振荡所允许的最大ESR。在该图中，分流电容C0位于水平轴上，而最大ESR显示在垂直轴上。为确保稳定振荡，XTAL的ESR必须低于为该XTAL指定的最大C0曲线。使用高于此曲线的XTAL可能无法确保在所有条件下都能稳定振荡。

图3.2。48-54MHz XTAL的最大ESR与分流电容C0

同样，图4.3显示了确保XTAL在25 MHz范围内稳定振荡所允许的最大ESR。

图3.3。25 MHz XTAL的最大ESR与分流电容C0

Q（品质因数）：这决定了XTAL的频率共振峰的宽度。Q值越高，宽度越窄，精度越高。它被定义为谐振频率下电抗与串联电阻的比值。XTAL通常具有约70000至200000的高Q值。

高Q意味着更好的近相位噪声。这也意味着振荡器负载电容变化的频率偏移较小，以及由于振荡器电源电压等其他外部因素引起的偏移较小。较高的ESR会降低Q值。

CL（负载电容）：这是加载XTAL以进行适当振荡所需的额外电容。该规格应与内置Si534x/7x/8x/9x振荡器内部提供的负载相匹配，通常为8pF。负载电容的不匹配会改变XTAL振荡频率。

驱动级别：必须限制XTAL的功耗，否则XTAL的可靠性可能会降低。XTAL必须容忍的最大驱动电平通常在其数据表中以微瓦（µW）为单位指定。对于高ESR XTAL，XTAL中消耗的功率可能会增加。

除了这些电气规格外，XTAL供应商还指定了机械性能和制造信息。XTAL尺寸也可能很重要，因为这会影响XTAL的放置位置。较小的XTAL可以放置在Si534x/7x/8x/9x附近，从而缩短迹线长度。

XTAL物理尺寸

XTAL有多种尺寸，包括带引线的通孔组件和表面安装组件。最常见的表面安装封装是带有焊接或钎焊金属盖的矩形4针封装。四个引脚中的两个用于连接XTAL的每一侧。其余2个引脚连接到Si534x/7x/8x/9x器件上的XTAL屏蔽引脚，通常标记为“X1”和“X2”。这些包装是根据包装的X和Y尺寸指定的。例如，常见的箱子尺寸可以指定为“3.2 mm x 2.5 mm”，也可以简化为“3225”。同样，有2520、2016、1612等尺寸。对于较大的封装尺寸，通常对XTAL的电气参数影响很小。然而，在较小的尺寸下，由于需要安装在这些封装中的物理尺寸较小的XTAL，ESR和Q可能会受到影响。

为您的应用程序选择正确XTAL的步骤

1.标称XTAL频率必须与CBPro应用程序/参考页面上ClockBuilder™Pro（CBPro）频率计划中设置的值相匹配。如果XTAL频率不同，Si534x/7x/8x/9x无法稳定运行。

2.考虑到所有因素的XTAL总变化必须符合Si534x/7x/8x/9x器件数据表中规定的值，以确保最佳性能。

3.XTAL最大ESR必须低于C0/ESR曲线。较高的ESR XTAL可能无法在所有条件下可靠启动。

4.XTAL CL应与Si534x/7x/8x/9x数据表中给出的值相匹配，以确保正确的振荡频率。然而，通过在外部添加额外的电容，可以使用CL=12pF的XTAL。

5.XTAL驱动器级别必须指定得足够高，才能在Si534x/7x/8x/9x数据表中指定的值下运行，以确保长期可靠的行为。

4.附录B——如何为您的应用选择合适的XTAL振荡器

XTAL振荡器简介

XTAL振荡器（XO）：这是最基本的振荡器类型，封装中有XTAL和驱动电路。频率稳定性在ppm量级。这些都非常划算。

温度补偿XTAL振荡器（TCXO）：顾名思义，振荡器会根据其温度的变化进行补偿。根据XTAL的特性，我们知道频率会随着温度和负载电容的变化而变化。在TCXO的情况下，温度效应通过有目的的电容性负载来平衡，与XO相比，这提高了频率精度。可以获得接近1ppm的精度，然而，这需要额外的成本。

烤箱控制的XTAL振荡器（OCXO）：它在包装中内置了一个烤箱，它不会补偿温度影响，而是将烤箱加热到XTAL的零ppm温度。在这种情况下，由于烤箱无法冷却XTAL，因此使用的XTAL的零ppm温度需要高于预期的环境温度。这些具有非常高的稳定性，在ppband的顺序上也缓慢老化。还有一种双烤箱版本的振荡器，即烤箱控制的OCXO，它将整个OCXO放置在烤箱内以保持温度。烤箱和控制电路大大增加了OCXO的成本，通常是振荡器中最昂贵的。

压控XTAL振荡器（VCXO）：这是XO的扩展，具有额外的可调性。通过施加控制电压，VCXO的频率可以在100秒到1000秒的ppm范围内调整，但是，调谐范围不如VCO宽。这些振荡器通常用作级联PLL中第二PLL的参考。这些振荡器的成本介于XO和TXCO之间。

下表总结了不同类型振荡器之间的差异。

表4.1。XO比较

与选择XTAL的过程类似，XO也需要根据要求评估其属性和性能。

数据表电气规格

频率：工作频率由振荡器内XTAL的共振决定。振荡器有从kHz到MHz的各种频率。

频率精度和稳定性：在定时和同步应用中，频率精度是主要关注点之一。即使是很小的频率偏差也会导致同步丢失。因此，频率随时间和温度保持稳定至关重要。

该误差以ppm（百万分率）或ppb（十亿分率）来定义。

ppm误差=（（实际频率-理想频率）/理想频率）x106

ppm误差=（（实际频率-理想频率）/理想频率）x 109

导致此错误的因素有：

初始容差：这是由于振荡器内部的XTAL造成的。XTAL的切割不精确和宽度不均匀导致固有的频率偏移。这是在25°C的室温下定义的。

温度稳定性：这种变化是由于XTAL引起的。数据表规格指示了0ppm温度以上和以下的最小和最大变化。对于简单的XO，稳定性遵循XTAL的三阶温度曲线。最大偏差为几十ppm。

对于TCXO，通过改变负载电容来补偿这条三阶曲线。因此，TCXO比简单的XO具有更好的温度稳定性，约为0.1ppm。OCXO具有最佳的温度稳定性，因为烤箱内的XTAL温度保持在0ppm左右。OCXO的精度约为0.01ppm。

电源电压灵敏度：由于电源变化导致的标称频率变化定义了这种灵敏度。通常，±5%的电源电压变化是可以容忍的，电源中的任何噪声都会直接提高输出相位噪声。因此，始终建议使用清洁且经过过滤的电源。OCXO的灵敏度为几十ppb，TCXO的灵敏度通常在50 ppb左右。对于XO，它通常与整体精度规范相结合，表明它不是很重要。

负载灵敏度：负载电容的变化会影响标称频率，但影响不大。对于负载条件变化的±10%（标准负载通常为10 pF |10 kΩ），频率变化（单位为ppb）定义了负载灵敏度。该值对于OCXO为数十ppb，对于TCXO为数百ppb。对于XO，它通常与整体精度规格相结合。

回流灵敏度：在回流焊接过程中，振荡器会经受高温，然后冷却。这可能会导致频率偏移，称为回流灵敏度。它以ppm表示。

老化：振荡器内的XTAL是一个机电设备，因此会老化。老化通常在运行的最初几个小时内更高，并随着时间的推移而减慢。由于老化是以多种方式指定的，因此最合适的值是振荡器在系统中承受的最高温度下的长期老化规范。

活动下降：振荡器输出值的突然变化称为活动下降。供应商必须测试凹陷并指定值。

让我们来看一个例子。假设一个典型的40 MHz TCXO的初始容差为1 ppm，温度稳定性为0.3 ppm，电源电压容差为0.1 ppm，最大10%负载变化的负载灵敏度为0.2 ppm，每次回流偏移为1 ppm和1ppm老化。该TCXO的总体误差是单个误差的总和。

总误差=1+0.3+0.1+0.2+1+1=3.6ppm

输出特性：输出可以是差分型或单端型。所有Si53x/4x/7x/8x芯片都有Inx和XA/XB引脚的差分输入。差分信号有助于降低共模噪声。然而，低成本单端输出XO也可以使用衰减器电路进行接口连接，以限制最大摆动。有关更多详细信息，请参阅应用说明第5节（“AN905：外部参考：优化性能”）。建议XA/XB引脚上的转换速率为400 V/s（最小值），以获得芯片的最佳相位噪声性能。使用衰减器电路来减少摆动时，必须小心，使电路的负载阻抗符合振荡器负载规格。

工作温度：这是保证振荡器按照数据表规范运行的温度范围。工作温度范围应适应系统温度范围。

功率：增加功耗是为了区分OCXO和其他振荡器。由于OCXO内置了一个烤箱，它最初会消耗高功率来加热，直到频率稳定。由于烤箱始终存在，OCXO消耗的总功率高于其他烤箱。有时，OCXO和TCXO具有类似于VCXO的控制电压引脚，可用于拉取频率，因此需要额外的低噪声电源。

启动时间：虽然没有标准来定义最小启动时间，但根据应用程序，这个时间会有所不同。由于烤箱的加热时间，OCXO需要几十分钟才能稳定到正确的频率。其他振荡器需要毫秒才能达到稳定的频率。

相位噪声性能：相位噪声提供了时钟信号频谱的清洁度。它被定义为偏离主载波频率的功率，单位为dBc/Hz。输入时钟主导着外环带宽以下的区域，而参考振荡器主导着外环路带宽以上和内环带宽内的区域。对于无线应用，需要优化近相位噪声（约100-1000Hz）。对于以太网和SONET应用，12 kHz至20 MHz频带是值得关注的。除了这些测量之外，输入和参考的任何杂散都会降低输出相位噪声。

在感兴趣的频带上集成的相位噪声会产生RMS抖动。积分带和RMS值由不同的标准指定。

漂移产生：ITU-T GR.8262标准规定了锁定模式下产生的MTIE和TDEV漂移。这测量了仅由该定时源产生的漂移。该设备被锁定到具有非常低（3Hz或100mHz）外环带宽的无漂移输入。因此，参考的选择起着重要作用，因为输出的漂移直接来自参考。因此，参考振荡器需要在室温和超温条件下满足定义的漂移规格。

长期保持精度：ITU-T GR.8262标准规定了另一个术语的漂移：保持模式下的长期相位瞬态。它是输出时钟相对于失去输入之前最后一个输入时钟沿的相位差。Si53x/4x/7x/8x在滞留中的稳定性直接取决于参考的稳定性。因此，有必要测试参考精度。ITU-T GR.8262第11节规定了限制。

抖动/漂移转移：这是定时芯片的一个功能。Si53x/4x/7x/8x输出端的抖动和漂移取决于从输入到外环截止频率的抖动。因此，低于外环截止值的输入抖动对于满足输出值非常重要。ITU-T GR.8262第10节更详细地解释了传输。

抖动/漂移容忍度：这也是定时芯片的一个功能，它决定了在失去锁定之前可以容忍多少输入抖动。ITU-T GR.8262第9节规定了以太网应用的容差掩码。

为您的应用选择合适的XTAL振荡器的步骤

1.选择您应用所需的振荡器类型。您可以使用第13页的表4.1 XO比较作为初步指导。

2.第16页表4.2概述了不同应用中应考虑的重要振荡器规格。

表4.2。振荡器规格

3.应验证峰间振幅，必要时应使用衰减器。请参阅正在使用的Sili-con Labs设备的参考手册。

4.转换速率需要符合所用Silicon Labs器件的数据表规范。

5.XO的相位噪声决定了DSPLL带宽以上高达约1MHz的输出相位噪声。XO需要在相位噪声中具有大约20dB的裕度，以适应来自设备的附加相位噪声。

5.修订历史

修订版1.1

2018年9月

•增加了Si537x/9x设备覆盖范围。

•增加了附录，解释了如何为最终应用选择合适的晶体和晶体振荡器。

•从推荐零件表中删除停产零件。

•在推荐的零件表中添加了新零件。

•在推荐的零件表中添加了指示零件族的信息，以便在供应商网站上更容易找到这些零件。

修订版1.0

2017年1月

•首次发布。

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