振荡器：如何生成精确的时钟源？

在当今时代，数字逻辑已成为所有电子电路的核心，无论是 FPGA、微控制器、微处理器还是离散逻辑。数字系统使用许多组件，这些组件必须相互连接才能执行所需的功能。这种数字系统正常运行的关键要素是时钟信号，它使所有这些数字组件能够进行通信并在它们之间建立同步。因此，我们总是需要一个源来产生这个时钟信号。

该源以振荡器的形式出现。尽管当今大多数微控制器都集成了 RC 振荡器，但这种内部 RC 振荡器生成的时钟通常不足以支持与系统中其他模块通信所需的精度。因此，需要一个外部振荡器来为整个系统提供时钟信号，同时满足精度、信号完整性和稳定性的所有要求。

本文重点介绍振荡器的各个方面，以便在温度和时间范围内产生准确的时钟。涵盖的主题包括：

振荡器——振荡的基本标准

石英晶体振荡器

振荡器和稳定性

Q 因子及其重要性

不同类型的晶振

本文的后续部分将介绍设计并提供以下方面的更多详细信息：

皮尔斯晶体 (XO)

压控振荡器 (VCXO)

温补振荡器 (TCXO)

恒温振荡器 (OCXO)

负电阻的重要性

什么是振荡器？

在电子学中，任何能够在没有任何输入的情况下产生重复信号的电路都可以称为振荡器。简而言之，振荡器将直流能量转换为所需频率的交流能量。该振荡频率由用于设计振荡器的那些元件的常数决定。振荡电路一般采用正反馈放大器；为了维持振荡，电路必须遵守巴克豪斯标准；即闭环振荡系统的增益必须为1，绕环的相移必须为2nπ，其中n可以是任意整数，如图1所示。

最初通电时，电路中的唯一信号是噪声。由于正反馈机制，满足振荡频率和相位条件的噪声分量以增加的幅度在系统周围传播。信号的幅度会增加，直到它受到有源元件本身的内部特性或外部自动增益控制 (AGC) 单元的限制。建立振荡所需的时间取决于多种因素，例如噪声信号的幅度和环路的增益等。

有多种类型的振荡器可用于建立振荡，包括 RC 振荡器、LC 振荡器和石英振荡器。但是当涉及温度和时间的精度和准确度时，首选石英振荡器，因为它们的 Q 值高（在 10 4到 10 6的范围内，而 LC 的范围为10 2，本文稍后将详细讨论），这有助于在温度和时间范围内实现更好的稳定性。

石英晶体振荡器

石英晶体振荡器的最大卖点是它们能够在变化的负载和温度条件下产生恒定频率。在石英晶体振荡器中，当向晶体施加电压源时，它会受到机械扰动，进而产生特定频率的电压信号，也称为谐振频率。产生的频率取决于晶体的形状和大小，因此一旦切割的晶体不能用于任何其他频率。晶体越薄，谐振频率越高。

晶体等效电路：

石英晶体可以建模为 LCR 电路，如图 2 所示。

这里，Lm、Cm 和 Rm 分别是晶体的运动电感、运动电容和运动电阻，Cs 是由于与晶体的电连接而形成的并联电容。石英振荡器工作在两个谐振频率：由 Ls 和 Cs 的串联谐振形成的串联谐振 (f s )，以及由 Ls 的并联谐振和 Cs 和 Cp 的串联组合形成的并联谐振 (f p )。并联谐振频率也称为工作基频。

图 3 显示了晶体的电抗 v/s 频率曲线。在远离 f p的频率处，晶体呈现电容性。在 f s和 f p之间，它看起来是归纳的。f s和 f p之间的区域是晶体的通常工作范围。

振荡器和稳定性

就振荡器而言，影响系统频率稳定性的因素有很多，例如老化、噪声、温度、维持电路、耐久性、磁场、湿度、电源电压和冲击。下面讨论其中一些重要因素：

时间引起的不稳定性时间引起的

不稳定性可以细分为两类——老化和短期不稳定性。老化是由于振荡器内部变化而在很长一段时间内观察到的频率的系统性变化。然而，虽然这种频率变化只是几个 PPM，但在处理具有精确频率要求的系统（例如 DTV、机顶盒等）时，它可能非常重要。相比之下，短期不稳定性本质上是随机的，并且通常可以称为噪声。

老化- 有多种因素会导致老化，如传质、晶体上的应力、热膨胀、安装力、键合元件、晶体的驱动电平和直流偏置。

短期噪声——理想振荡器的输出是完美的正弦波。然而，在理想系统中，由于随机噪声或闪烁噪声，会出现信号相位偏差，从而导致频率发生变化以保持 2nπ 相位条件。相位斜率 dφ/df 与 Q L成正比，并且必须很高才能获得最大的频率稳定性。为了使相位斜率高，C m应该最小化。因此，f s和 f p之间的电抗 v/s 频率的斜率越陡，频率稳定性越好。

       温度不稳定

晶体谐振频率的变化在室温下是最小的。然而，随着温度向极端变化，标称频率的变化开始增加，可能高达 ppm 的十分之几。这对于计算等应用程序是可以接受的。在导航、雷达、无线电通信、卫星通信等应用中，精度和精度是至关重要的，如此巨大的变化是不可接受的。因此，对于此类应用，系统中需要额外的补偿元件（见下文）。

由于可调性导致的不稳定性

使振荡器在很宽的频率范围内可调谐会导致不稳定。为了实现可调谐性，滤波器用于抑制不需要的频率模式。然而，这使得可调谐振荡器难以实现更高的频率稳定性，因为负载电抗受到滤波器中使用的变容二极管的杂散电容和电感的影响。

维持电路造成的不稳定性当在晶振中添加外部负载电容时，由于电容和杂散电容的容差，实际负载电容会与要求的值不同。负载电容的这种变化也会引起频率的变化。它可以通过以下方式给出：

Cm:晶体的运动电容，在晶体数据表中指定

Cs:晶体的并联电容 ，在晶体数据表中指定

CL：晶体数据表中指定的负载电容

CL：跨晶体端子的实际电容

Q因子

Q 因子提供了存储在谐振器中的能量（存储在 L 和 C 中的能量）与损失的能量（消耗在 R 中）的比率。具有较高 Q 值的一些优点如下：

Q 越高，相位噪声就越低，因为相位噪声对晶体的 Q 有很强的依赖性。这将导致更好的频率稳定性。

更窄的带宽是更高 Q 的另一个优势。

Q 与激发衰减的时间成正比。因此，较高的 Q 将增加衰减时间。衰减时间和环路增益有助于减少晶体启动时间。

晶振的种类

基于用于实现更高精确度和准确度的补偿技术，晶体可以进一步细分为子类别。一些最常用的是：

振荡器——XO

压控晶体振荡器——VCXO

温补振荡器——TCXO

恒温振荡器 – OCXO

如上所述，此类振荡器具有巨大的变化，在整个温度范围内大约为+ 15ppm。对于不需要非常精确时钟的应用，无补偿振荡器可能是一个很好的选择。

压控晶体振荡器 (VCXO)

压控晶体振荡器使用晶体的非常基本的特性，只有当振荡器终端的负载电容 ( CL ) 与通常称为 C L_NOM 的某个值（通常由晶体制造商提供）匹配时，它才会在其指定频率下谐振. 例如，如果一个晶体被识别为 25Mhz 和 14pF，这意味着只有当振荡器终端提供的 C L为 14pF 时，它才能以 25Mhz 谐振，误差为 0PPM。从等式 1 可以得出，增加 C L会降低频率的 PPM 误差。如果 C L > C L_NOM, ppm 将变为 –ve，这意味着晶体将以低于其中心频率的频率谐振。使C L < C L_NOM会产生相反的效果。但是，振荡频率通常只能改变几百万分之几，因为晶体的高 Q 因子只允许在很小的频率范围内“拉动” . 然而，当需要非常精细地调整操作频率时，即使是十分之几 ppm 也非常有用。

晶体振荡器的这一特性在 VCXO 中实现，其中需要在非常精细的范围内精确跟踪频率，例如数字机顶盒、DTV 等。VCXO 使用连接到其输入端的附加变容二极管（或在振荡器终端改变 C L的任何其他方式；即，有时是可以数字控制的电容阵列）。二极管以反向偏置模式连接，并在其两端施加外部电压。由于变容二极管的特性，其电容随外加电压而变化（即随反向偏置电压的增加而减小），因此 C L在振荡器输入端。因此，通过改变二极管两端的电压，我们可以控制振荡频率并微调电路。在实际应用中，这个误差电压可以通过比较输出频率和预期频率来产生。

温补振荡器 (TCXO)

TCXO 的工作原理与 VCXO 相同，当将电抗元件（电容器或电感器）串联到晶体中时，可以改变振荡频率（参见图 3 – f s和 f之间的区域)。TCXO 使用温度传感器测量温度并将校正信号施加到变容二极管以补偿频率变化。

恒温控制振荡器

在这种配置中，晶体和其他温度敏感元件被放置在温度控制室中，该室被调整到晶体频率与温度的斜率为零的温度。这种振荡器可以在温度方面获得最佳稳定性，大约为 0.001ppm。

本文讨论了系统中精确和准确时钟要求的重要性，以及石英晶体振荡器如何非常适合此类应用。它深入探讨并进一步探讨了晶体振荡器可能发生的各种不同类型的不稳定性以及如何补偿它们。

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