盤點(diǎn)振蕩器生成精確時(shí)鐘源的幾種設(shè)計(jì)方案

　　數(shù)字邏輯已經(jīng)成為當(dāng)今所有電子電路的核心，無論是FPGA、微控制器、微處理器還是分立邏輯。數(shù)字系統(tǒng)采用必須互連在一起以執(zhí)行所需功能的眾多組件。確保此類數(shù)字系統(tǒng)正常運(yùn)行的要素是實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字組件之間通信以及在其之間建立同步的時(shí)鐘信號(hào)。因此，我們始終需要一種源頭來生成這種時(shí)鐘信號(hào)。

　　信號(hào)源采用振蕩器的形式。雖然當(dāng)今大多數(shù)微控制器具有集成RC振蕩器，但是這種內(nèi)部RC振蕩器生成的時(shí)鐘質(zhì)量往往不足以支持與系統(tǒng)中其它模塊通信所需要的精度。因此，需要采用能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)并且滿足對(duì)精度、信號(hào)完整性與穩(wěn)定性等一切要求的外部振蕩器。

　　本文主要介紹在各種溫度和時(shí)間下生成精確時(shí)鐘的振蕩器的不同方面。所涵蓋的主題包括：

　　振蕩器 - 振蕩的基本標(biāo)準(zhǔn)

　　● 石英晶體振蕩器

　　● Q因子及其重要性

　　● 不同類型的晶體振蕩器

　　本文后續(xù)部分將包含設(shè)計(jì)并且提供有關(guān)以下方面的詳細(xì)說明：

　　● 皮爾斯晶體振蕩器(XO)

　　● 電壓控制振蕩器(VCXO)

　　● 溫度控制振蕩器(TCXO)

　　● 恒溫振蕩器(OCXO)

　　● 負(fù)電阻的重要性

　　什么是振蕩器?

　　在電子學(xué)中，任何無需輸入即可生成重復(fù)信號(hào)的電路都可以稱為振蕩器。簡而言之，振蕩器把DC能量轉(zhuǎn)換成預(yù)期頻率的AC能量。振蕩頻率取決于設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)所采用的元件的常數(shù)。振蕩器電路一般采用具有正反饋的放大器;為了維持振蕩，電路必須遵守巴克豪森標(biāo)準(zhǔn);也就是說，閉環(huán)振蕩系統(tǒng)的增益必須是整數(shù)，而圍繞環(huán)路的相移必須為2nπ，其中‘n’可以是任何整數(shù)，如圖1所示。

　　圖1:閉環(huán)振蕩系統(tǒng)

　　在最初激勵(lì)時(shí)，電路中的唯一信號(hào)是噪聲。由于正反饋機(jī)制，符合振蕩頻率與相位條件的噪聲分量會(huì)在系統(tǒng)中傳播并且幅度不斷增大。信號(hào)幅度不斷增大，直到受到有源元件自身內(nèi)部特性或者外部自動(dòng)增益控制(AGC)單元的限制。建立振蕩所需時(shí)間取決于多種因素，如：噪聲信號(hào)的幅度與環(huán)路的增益等等。

　　有各種振蕩器可以用于建立振蕩，如：RC振蕩器、LC振蕩器與石英振蕩器。但是，就一定溫度與時(shí)間范圍內(nèi)的精度與準(zhǔn)確度而言，石英振蕩器是首選，因?yàn)槠渚哂懈逹(104 ~106范圍內(nèi)，相比之下LC為102,后文詳述)，這有助于在溫度與時(shí)間范圍內(nèi)達(dá)到更高的穩(wěn)定性。

　　石英振蕩器

　　石英晶體振蕩器的最大賣點(diǎn)是能夠在各種負(fù)載與溫度條件下產(chǎn)生恒定頻率。在石英晶體振蕩器中，當(dāng)把電壓源施加到晶體，其會(huì)產(chǎn)生機(jī)械攝動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生特定頻率(又稱為共振頻率)的電壓信號(hào)。所產(chǎn)生的頻率取決于晶體的形狀與大小，因此晶體在切割之后就不能再用于任何其它頻率。晶體越薄，則共振頻率越高。

　　晶振的等效電路：

　　石英晶體可以建模為如圖2所示的LCR電路。

　　圖2:晶振的等效電路

　　其中，Lm、Cm與Rm分別是晶振的動(dòng)生電感、動(dòng)生電容與動(dòng)生電阻，而Cs是晶振的電氣連接形成的分流電容。石英振蕩器以兩個(gè)共振頻率運(yùn)行：Ls與Cs的串聯(lián)共振形成的串聯(lián)共振頻率(fs)、Ls的并聯(lián)共振以及Cs與Cp串聯(lián)組合形成的并聯(lián)共振頻率(fp)。并聯(lián)共振頻率又稱為操作基頻。

　　圖3:共振器電抗與頻率

　　圖3說明晶振的電抗與頻率曲線。在遠(yuǎn)離fp的頻率時(shí)，晶振顯示出電容性。在fs與fp之間的區(qū)域，其顯示出電感性。fs與fp之間的區(qū)域是晶振的正常操作范圍。