使用VCXO (壓控晶體振蕩器)作為時(shí)鐘(CLK)發(fā)生器

VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

“VCXO”，即壓控晶體振蕩器，其振蕩頻率由晶體決定，但可用控制電壓在小范圍內(nèi)對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整，控制電壓范圍一般為0V至2V或0V至3V。VCXO的調(diào)諧范圍為±100ppm至±200ppm。圖1為一個(gè)典型VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和晶振電路模型。


圖1. 典型VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖

變?nèi)荻O管CV1和CV2的容值變化會(huì)影響到晶振模型，從而改變振蕩頻率。兩個(gè)外接并聯(lián)電容CS1和CS2用來(lái)調(diào)整諧振范圍和中心頻率的偏移。按照?qǐng)D1所示的晶振電路，諧振頻率可用下式表示：



其中CL是由CV1，2和CS1，2決定的等效負(fù)載電容?？蓽?zhǔn)確地表示為：CL = (CV1+CS1) || (CV2 + CS2)。取一階近似并考慮到C1 C0和CL，可得到fC的頻率增量。



圖2為CS1 = CS2時(shí)，fC隨CS1值變化的典型曲線圖。


圖2. VCXO頻率與并聯(lián)電容CS1 (CS1=CS2)

利用這一微調(diào)特性，可使用VCXO和PLL構(gòu)成一個(gè)具有微調(diào)特性的CLK發(fā)生器。

VCXO CLK已經(jīng)在多種系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如數(shù)字電視，數(shù)字音頻，ADSL和STB。Maxim的MAX9485就是這樣一款CLK發(fā)生器芯片，專為MPEG-2和杜比數(shù)字音頻(AC-3)應(yīng)用設(shè)計(jì)[1]，它幾乎可以提供數(shù)字音頻到模擬轉(zhuǎn)換所采用的所有頻率，支持從12kHz到96kHz的采樣頻率。 Maxim還為其它應(yīng)用設(shè)計(jì)了各種VCXO CLK發(fā)生器。

VCXO CLK發(fā)生器的關(guān)鍵參數(shù)

有許多參數(shù)用來(lái)描述VCXO CLK發(fā)生器。其中最重要的是調(diào)諧電壓范圍、中心頻率、牽引范圍以及時(shí)鐘輸出抖動(dòng)。

調(diào)諧電壓范圍為VCXO控制電壓的變化范圍，此電壓控制變?nèi)荻O管的電容。通常為0V至2V或3V。中心頻率為VCXO輸出頻率范圍的中點(diǎn)。牽引范圍為變化頻率(增大或減少)與中心頻率的比值。此比值一般用ppm表示(百萬(wàn)分之一)，代表VCXO的相對(duì)頻率牽引范圍。通常牽引范圍大約為100ppm至200ppm，取決于VCXO的結(jié)構(gòu)和所選擇的晶體。

時(shí)鐘抖動(dòng)是CLK發(fā)生器的一個(gè)重要參數(shù)，有多種關(guān)于抖動(dòng)的定義。兩個(gè)最常用的抖動(dòng)參數(shù)稱為“周期”抖動(dòng)和“周期間”抖動(dòng)，我們將在第四節(jié)詳細(xì)討論這些問(wèn)題。抖動(dòng)取決于CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，芯片之間會(huì)有差異，不同的應(yīng)用對(duì)抖動(dòng)的要求也不相同。

晶體選擇和電路板設(shè)計(jì)

晶體的選擇和PCB布局會(huì)對(duì)VCXO CLK發(fā)生器的性能參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。選擇晶體時(shí)，除了頻率、封裝、精度和工作溫度范圍，在VCXO應(yīng)用中還應(yīng)注意等效串聯(lián)電阻和負(fù)載電容。串聯(lián)電阻導(dǎo)致晶體的功耗增大。阻值越低，振蕩器越容易起振。負(fù)載電容是晶體的一個(gè)重要參數(shù)，首先，它決定了晶體的諧振頻率。一般晶體的標(biāo)稱頻率指的是其并聯(lián)指定負(fù)載電容后的諧振頻率。應(yīng)當(dāng)指出，此處的標(biāo)稱頻率是當(dāng)CL等于指定負(fù)載電容時(shí)利用公式(1)計(jì)算出的值，但不是利用計(jì)算出的值1/(2 π √L1C1)。因此，VCXO的調(diào)諧范圍與CL的值緊密相關(guān)。當(dāng)負(fù)載電容值較小時(shí)，VCXO的調(diào)諧范圍限制在上端；同樣，電容值較大時(shí)，調(diào)諧范圍將限制在下端。負(fù)載電容的適當(dāng)取值取決于VCXO的特性。例如，MAX9485設(shè)計(jì)中，為了均衡調(diào)諧范圍、調(diào)諧曲線中點(diǎn)、同時(shí)簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)，我們選擇Ecliptek (ECX-5527-27) [2]具有14pf負(fù)載電容的27MHz晶體。使用這樣的晶體時(shí)，MAX9485具有±200ppm的牽引范圍，見(jiàn)圖3。應(yīng)該指出，封裝會(huì)導(dǎo)致晶體牽引范圍的差異。一般金屬殼封裝比表貼器件(SMD)的牽引范圍更大。但是最近DAISHINKU Corp. [5]生產(chǎn)的一款新SMD晶體可達(dá)到與金屬殼晶體近似的牽引范圍。我們測(cè)試了這款SMD晶體(DSX530GA)，發(fā)現(xiàn)外接兩個(gè)4pf的并聯(lián)電容時(shí)可以實(shí)現(xiàn)±200ppm頻率牽引范圍，見(jiàn)圖4。


圖3.


圖4.

為了限制VCXO的調(diào)諧范圍，可通過(guò)改變外部并聯(lián)電容設(shè)置向上的調(diào)節(jié)范圍。并聯(lián)電容取值范圍為4ps至7ps，取決于電路板寄生電容。另一方面，向下的調(diào)節(jié)范圍取決于內(nèi)部變?nèi)荻O管值，不能由外部改變。為了降低寄生電容對(duì)向上頻率調(diào)節(jié)范圍的影響，在電路板布局中應(yīng)盡可能的減少晶體引腳對(duì)地的寄生電容，保證引腳與地層和電源層之間的清潔。詳細(xì)的電路板布局，請(qǐng)參考MAX9485評(píng)估板[4]。

測(cè)量輸出時(shí)鐘抖動(dòng)的設(shè)備

對(duì)振蕩器而言，抖動(dòng)是一個(gè)重要的性能參數(shù)。有兩個(gè)最常用的抖動(dòng)定義：周期抖動(dòng)和周期間抖動(dòng)，詳細(xì)信息見(jiàn)圖5。為了測(cè)量抖動(dòng)，可用高速數(shù)字示波器采樣一批數(shù)據(jù)，按照定義計(jì)算抖動(dòng)。Tektronix公司的示波器(TDS 7254)或Lecroy公司的示波器(Wavepro 960)都提供了這類測(cè)量軟件。我們還可使用高速數(shù)字示波器在時(shí)域測(cè)量周期抖動(dòng)[3]。圖5為裝置圖。在時(shí)域中無(wú)法測(cè)量周期間抖動(dòng)。但是，如果每個(gè)周期的抖動(dòng)噪聲相互獨(dú)立并均勻分布，則周期間抖動(dòng)是周期抖動(dòng)的1.414倍。MAX9485能產(chǎn)生21種不同的輸出頻率，取決于不同的音頻采樣頻率和頻率比例因數(shù)。我們使用圖6所示設(shè)備測(cè)量了各種可能輸出的時(shí)鐘頻率的周期抖動(dòng)，表1為測(cè)量結(jié)果。


圖5. 輸出抖動(dòng)測(cè)量


圖6. 自觸發(fā)抖動(dòng)測(cè)量裝置

表1. 周期抖動(dòng)與輸出頻率

FOUT	Scaling Factor	Fs	JP (RMS)
(MHz)		(kHz)	(ps)	(UI)
73.728	768	96	21	0.00155
67.7376	768	88.2	23.2	0.00157
49.152	768	64	42.6	0.00209
36.864	768	48	40	0.00147
36.864	384	96	37	0.00136
33.8688	768	44.1	44	0.00149
33.8688	384	88.2	41.3	0.00140
24.5760	768	32	66	0.00162
24.5760	384	64	92	0.00226
24.5760	256	96	50	0.00123
22.5792	256	88.2	55.1	0.00124
18.4320	384	48	59	0.00109
16.9344	384	44.1	69	0.00117
16.3840	256	64	134	0.00220
12.2880	256	48	84.8	0.00104
12.2880	384	32	170	0.00209
11.2896	256	44.1	100	0.00113
9.126	768	12	106	0.00097
8.1920	256	32	250	0.00205
4.608	384	12	198	0.00091
3.072	256	12	324	0.00100

從表中可以看出，一般情況下，頻率越高、抖動(dòng)越低。但如果我們用相對(duì)參數(shù)描述抖動(dòng)，如單位間隔(UI)，見(jiàn)表的最后一列，則抖動(dòng)是可比擬的。此外，可以注意到輸出頻率36.864MHz、33.8688MHz、24.5760MHz和12.288MHz可通過(guò)不同的采樣頻率和比例因數(shù)實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致了不同的抖動(dòng)值。因此，當(dāng)使用這些頻率時(shí)，用戶可通過(guò)選擇不同的Fs和比例因數(shù)獲得最低抖動(dòng)。