高性能抖動(dòng)衰減器和時(shí)鐘發(fā)生器的推薦晶體、TCXO和OCXO參考手冊(cè)（之二）

高性能抖動(dòng)衰減器和時(shí)鐘發(fā)生器的推薦晶體、TCXO和OCXO參考手冊(cè)

附錄A——如何為您的應(yīng)用程序選擇合適的XTAL

L1（運(yùn)動(dòng)電感）和C1（運(yùn)動(dòng)電容）：L1和C1表示構(gòu)成XTAL電氣LC模型的值。這些值決定了XTAL的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)Q以及ESR。

CO（分流電容）：所有XTAL都有小電極，將XTAL連接到封裝引腳。電極與XTAL的LCR模型并聯(lián)形成分流電容。C0和C1與L1一起以稱為反共振頻率的頻率共振。

ESR（等效串聯(lián)電阻）：XTAL在諧振時(shí)的等效阻抗是等效串聯(lián)電阻?？紤]到C1/C0的比率非常小，它主要由電阻分量R1主導(dǎo)。

為了發(fā)生穩(wěn)定的振蕩，驅(qū)動(dòng)振蕩器的負(fù)阻抗必須比XTAL的ESR高3到4倍。圖4.2顯示了確保XTAL在48 MHz至54 MHz范圍內(nèi)穩(wěn)定振蕩所允許的最大ESR。在該圖中，分流電容C0位于水平軸上，而最大ESR顯示在垂直軸上。為確保穩(wěn)定振蕩，XTAL的ESR必須低于為該XTAL指定的最大C0曲線。使用高于此曲線的XTAL可能無法確保在所有條件下都能穩(wěn)定振蕩。

圖3.2。48-54MHz XTAL的最大ESR與分流電容C0

同樣，圖4.3顯示了確保XTAL在25 MHz范圍內(nèi)穩(wěn)定振蕩所允許的最大ESR。

圖3.3。25 MHz XTAL的最大ESR與分流電容C0

Q（品質(zhì)因數(shù)）：這決定了XTAL的頻率共振峰的寬度。Q值越高，寬度越窄，精度越高。它被定義為諧振頻率下電抗與串聯(lián)電阻的比值。XTAL通常具有約70000至200000的高Q值。

高Q意味著更好的近相位噪聲。這也意味著振蕩器負(fù)載電容變化的頻率偏移較小，以及由于振蕩器電源電壓等其他外部因素引起的偏移較小。較高的ESR會(huì)降低Q值。

CL（負(fù)載電容）：這是加載XTAL以進(jìn)行適當(dāng)振蕩所需的額外電容。該規(guī)格應(yīng)與內(nèi)置Si534x/7x/8x/9x振蕩器內(nèi)部提供的負(fù)載相匹配，通常為8pF。負(fù)載電容的不匹配會(huì)改變XTAL振蕩頻率。

驅(qū)動(dòng)級(jí)別：必須限制XTAL的功耗，否則XTAL的可靠性可能會(huì)降低。XTAL必須容忍的最大驅(qū)動(dòng)電平通常在其數(shù)據(jù)表中以微瓦（μW）為單位指定。對(duì)于高ESR XTAL，XTAL中消耗的功率可能會(huì)增加。

除了這些電氣規(guī)格外，XTAL供應(yīng)商還指定了機(jī)械性能和制造信息。XTAL尺寸也可能很重要，因?yàn)檫@會(huì)影響XTAL的放置位置。較小的XTAL可以放置在Si534x/7x/8x/9x附近，從而縮短跡線長(zhǎng)度。

XTAL物理尺寸

XTAL有多種尺寸，包括帶引線的通孔組件和表面安裝組件。最常見的表面安裝封裝是帶有焊接或釬焊金屬蓋的矩形4針封裝。四個(gè)引腳中的兩個(gè)用于連接XTAL的每一側(cè)。其余2個(gè)引腳連接到Si534x/7x/8x/9x器件上的XTAL屏蔽引腳，通常標(biāo)記為“X1”和“X2”。這些包裝是根據(jù)包裝的X和Y尺寸指定的。例如，常見的箱子尺寸可以指定為“3.2 mm x 2.5 mm”，也可以簡(jiǎn)化為“3225”。同樣，有2520、2016、1612等尺寸。對(duì)于較大的封裝尺寸，通常對(duì)XTAL的電氣參數(shù)影響很小。然而，在較小的尺寸下，由于需要安裝在這些封裝中的物理尺寸較小的XTAL，ESR和Q可能會(huì)受到影響。

為您的應(yīng)用程序選擇正確XTAL的步驟

1.標(biāo)稱XTAL頻率必須與CBPro應(yīng)用程序/參考頁面上ClockBuilder?Pro（CBPro）頻率計(jì)劃中設(shè)置的值相匹配。如果XTAL頻率不同，Si534x/7x/8x/9x無法穩(wěn)定運(yùn)行。

2.考慮到所有因素的XTAL總變化必須符合Si534x/7x/8x/9x器件數(shù)據(jù)表中規(guī)定的值，以確保最佳性能。

3.XTAL最大ESR必須低于C0/ESR曲線。較高的ESR XTAL可能無法在所有條件下可靠啟動(dòng)。

4.XTAL CL應(yīng)與Si534x/7x/8x/9x數(shù)據(jù)表中給出的值相匹配，以確保正確的振蕩頻率。然而，通過在外部添加額外的電容，可以使用CL=12pF的XTAL。

5.XTAL驅(qū)動(dòng)器級(jí)別必須指定得足夠高，才能在Si534x/7x/8x/9x數(shù)據(jù)表中指定的值下運(yùn)行，以確保長(zhǎng)期可靠的行為。

4.附錄B——如何為您的應(yīng)用選擇合適的XTAL振蕩器

XTAL振蕩器簡(jiǎn)介

XTAL振蕩器（XO）：這是最基本的振蕩器類型，封裝中有XTAL和驅(qū)動(dòng)電路。頻率穩(wěn)定性在ppm量級(jí)。這些都非常劃算。

溫度補(bǔ)償XTAL振蕩器（TCXO）：顧名思義，振蕩器會(huì)根據(jù)其溫度的變化進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)XTAL的特性，我們知道頻率會(huì)隨著溫度和負(fù)載電容的變化而變化。在TCXO的情況下，溫度效應(yīng)通過有目的的電容性負(fù)載來平衡，與XO相比，這提高了頻率精度?？梢垣@得接近1ppm的精度，然而，這需要額外的成本。

烤箱控制的XTAL振蕩器（OCXO）：它在包裝中內(nèi)置了一個(gè)烤箱，它不會(huì)補(bǔ)償溫度影響，而是將烤箱加熱到XTAL的零ppm溫度。在這種情況下，由于烤箱無法冷卻XTAL，因此使用的XTAL的零ppm溫度需要高于預(yù)期的環(huán)境溫度。這些具有非常高的穩(wěn)定性，在ppband的順序上也緩慢老化。還有一種雙烤箱版本的振蕩器，即烤箱控制的OCXO，它將整個(gè)OCXO放置在烤箱內(nèi)以保持溫度。烤箱和控制電路大大增加了OCXO的成本，通常是振蕩器中最昂貴的。

壓控XTAL振蕩器（VCXO）：這是XO的擴(kuò)展，具有額外的可調(diào)性。通過施加控制電壓，VCXO的頻率可以在100秒到1000秒的ppm范圍內(nèi)調(diào)整，但是，調(diào)諧范圍不如VCO寬。這些振蕩器通常用作級(jí)聯(lián)PLL中第二PLL的參考。這些振蕩器的成本介于XO和TXCO之間。

下表總結(jié)了不同類型振蕩器之間的差異。

表4.1。XO比較

與選擇XTAL的過程類似，XO也需要根據(jù)要求評(píng)估其屬性和性能。

數(shù)據(jù)表電氣規(guī)格

頻率：工作頻率由振蕩器內(nèi)XTAL的共振決定。振蕩器有從kHz到MHz的各種頻率。

頻率精度和穩(wěn)定性：在定時(shí)和同步應(yīng)用中，頻率精度是主要關(guān)注點(diǎn)之一。即使是很小的頻率偏差也會(huì)導(dǎo)致同步丟失。因此，頻率隨時(shí)間和溫度保持穩(wěn)定至關(guān)重要。

該誤差以ppm（百萬分率）或ppb（十億分率）來定義。

ppm誤差=（（實(shí)際頻率-理想頻率）/理想頻率）x106

ppm誤差=（（實(shí)際頻率-理想頻率）/理想頻率）x 109

導(dǎo)致此錯(cuò)誤的因素有：

初始容差：這是由于振蕩器內(nèi)部的XTAL造成的。XTAL的切割不精確和寬度不均勻?qū)е鹿逃械念l率偏移。這是在25°C的室溫下定義的。

溫度穩(wěn)定性：這種變化是由于XTAL引起的。數(shù)據(jù)表規(guī)格指示了0ppm溫度以上和以下的最小和最大變化。對(duì)于簡(jiǎn)單的XO，穩(wěn)定性遵循XTAL的三階溫度曲線。最大偏差為幾十ppm。

對(duì)于TCXO，通過改變負(fù)載電容來補(bǔ)償這條三階曲線。因此，TCXO比簡(jiǎn)單的XO具有更好的溫度穩(wěn)定性，約為0.1ppm。OCXO具有最佳的溫度穩(wěn)定性，因?yàn)榭鞠鋬?nèi)的XTAL溫度保持在0ppm左右。OCXO的精度約為0.01ppm。

電源電壓靈敏度：由于電源變化導(dǎo)致的標(biāo)稱頻率變化定義了這種靈敏度。通常，±5%的電源電壓變化是可以容忍的，電源中的任何噪聲都會(huì)直接提高輸出相位噪聲。因此，始終建議使用清潔且經(jīng)過過濾的電源。OCXO的靈敏度為幾十ppb，TCXO的靈敏度通常在50 ppb左右。對(duì)于XO，它通常與整體精度規(guī)范相結(jié)合，表明它不是很重要。

負(fù)載靈敏度：負(fù)載電容的變化會(huì)影響標(biāo)稱頻率，但影響不大。對(duì)于負(fù)載條件變化的±10%（標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載通常為10 pF |10 kΩ），頻率變化（單位為ppb）定義了負(fù)載靈敏度。該值對(duì)于OCXO為數(shù)十ppb，對(duì)于TCXO為數(shù)百ppb。對(duì)于XO，它通常與整體精度規(guī)格相結(jié)合。

回流靈敏度：在回流焊接過程中，振蕩器會(huì)經(jīng)受高溫，然后冷卻。這可能會(huì)導(dǎo)致頻率偏移，稱為回流靈敏度。它以ppm表示。

老化：振蕩器內(nèi)的XTAL是一個(gè)機(jī)電設(shè)備，因此會(huì)老化。老化通常在運(yùn)行的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)更高，并隨著時(shí)間的推移而減慢。由于老化是以多種方式指定的，因此最合適的值是振蕩器在系統(tǒng)中承受的最高溫度下的長(zhǎng)期老化規(guī)范。

活動(dòng)下降：振蕩器輸出值的突然變化稱為活動(dòng)下降。供應(yīng)商必須測(cè)試凹陷并指定值。

讓我們來看一個(gè)例子。假設(shè)一個(gè)典型的40 MHz TCXO的初始容差為1 ppm，溫度穩(wěn)定性為0.3 ppm，電源電壓容差為0.1 ppm，最大10%負(fù)載變化的負(fù)載靈敏度為0.2 ppm，每次回流偏移為1 ppm和1ppm老化。該TCXO的總體誤差是單個(gè)誤差的總和。

總誤差=1+0.3+0.1+0.2+1+1=3.6ppm

輸出特性：輸出可以是差分型或單端型。所有Si53x/4x/7x/8x芯片都有Inx和XA/XB引腳的差分輸入。差分信號(hào)有助于降低共模噪聲。然而，低成本單端輸出XO也可以使用衰減器電路進(jìn)行接口連接，以限制最大擺動(dòng)。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用說明第5節(jié)（“AN905：外部參考：優(yōu)化性能”）。建議XA/XB引腳上的轉(zhuǎn)換速率為400 V/s（最小值），以獲得芯片的最佳相位噪聲性能。使用衰減器電路來減少擺動(dòng)時(shí)，必須小心，使電路的負(fù)載阻抗符合振蕩器負(fù)載規(guī)格。

工作溫度：這是保證振蕩器按照數(shù)據(jù)表規(guī)范運(yùn)行的溫度范圍。工作溫度范圍應(yīng)適應(yīng)系統(tǒng)溫度范圍。

功率：增加功耗是為了區(qū)分OCXO和其他振蕩器。由于OCXO內(nèi)置了一個(gè)烤箱，它最初會(huì)消耗高功率來加熱，直到頻率穩(wěn)定。由于烤箱始終存在，OCXO消耗的總功率高于其他烤箱。有時(shí)，OCXO和TCXO具有類似于VCXO的控制電壓引腳，可用于拉取頻率，因此需要額外的低噪聲電源。

啟動(dòng)時(shí)間：雖然沒有標(biāo)準(zhǔn)來定義最小啟動(dòng)時(shí)間，但根據(jù)應(yīng)用程序，這個(gè)時(shí)間會(huì)有所不同。由于烤箱的加熱時(shí)間，OCXO需要幾十分鐘才能穩(wěn)定到正確的頻率。其他振蕩器需要毫秒才能達(dá)到穩(wěn)定的頻率。

相位噪聲性能：相位噪聲提供了時(shí)鐘信號(hào)頻譜的清潔度。它被定義為偏離主載波頻率的功率，單位為dBc/Hz。輸入時(shí)鐘主導(dǎo)著外環(huán)帶寬以下的區(qū)域，而參考振蕩器主導(dǎo)著外環(huán)路帶寬以上和內(nèi)環(huán)帶寬內(nèi)的區(qū)域。對(duì)于無線應(yīng)用，需要優(yōu)化近相位噪聲（約100-1000Hz）。對(duì)于以太網(wǎng)和SONET應(yīng)用，12 kHz至20 MHz頻帶是值得關(guān)注的。除了這些測(cè)量之外，輸入和參考的任何雜散都會(huì)降低輸出相位噪聲。

在感興趣的頻帶上集成的相位噪聲會(huì)產(chǎn)生RMS抖動(dòng)。積分帶和RMS值由不同的標(biāo)準(zhǔn)指定。

漂移產(chǎn)生：ITU-T GR.8262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鎖定模式下產(chǎn)生的MTIE和TDEV漂移。這測(cè)量了僅由該定時(shí)源產(chǎn)生的漂移。該設(shè)備被鎖定到具有非常低（3Hz或100mHz）外環(huán)帶寬的無漂移輸入。因此，參考的選擇起著重要作用，因?yàn)檩敵龅钠浦苯觼碜詤⒖肌Ｒ虼?，參考振蕩器需要在室溫和超溫條件下滿足定義的漂移規(guī)格。

長(zhǎng)期保持精度：ITU-T GR.8262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了另一個(gè)術(shù)語的漂移：保持模式下的長(zhǎng)期相位瞬態(tài)。它是輸出時(shí)鐘相對(duì)于失去輸入之前最后一個(gè)輸入時(shí)鐘沿的相位差。Si53x/4x/7x/8x在滯留中的穩(wěn)定性直接取決于參考的穩(wěn)定性。因此，有必要測(cè)試參考精度。ITU-T GR.8262第11節(jié)規(guī)定了限制。

抖動(dòng)/漂移轉(zhuǎn)移：這是定時(shí)芯片的一個(gè)功能。Si53x/4x/7x/8x輸出端的抖動(dòng)和漂移取決于從輸入到外環(huán)截止頻率的抖動(dòng)。因此，低于外環(huán)截止值的輸入抖動(dòng)對(duì)于滿足輸出值非常重要。ITU-T GR.8262第10節(jié)更詳細(xì)地解釋了傳輸。

抖動(dòng)/漂移容忍度：這也是定時(shí)芯片的一個(gè)功能，它決定了在失去鎖定之前可以容忍多少輸入抖動(dòng)。ITU-T GR.8262第9節(jié)規(guī)定了以太網(wǎng)應(yīng)用的容差掩碼。

為您的應(yīng)用選擇合適的XTAL振蕩器的步驟

1.選擇您應(yīng)用所需的振蕩器類型。您可以使用第13頁的表4.1 XO比較作為初步指導(dǎo)。

2.第16頁表4.2概述了不同應(yīng)用中應(yīng)考慮的重要振蕩器規(guī)格。

表4.2。振蕩器規(guī)格

3.應(yīng)驗(yàn)證峰間振幅，必要時(shí)應(yīng)使用衰減器。請(qǐng)參閱正在使用的Sili-con Labs設(shè)備的參考手冊(cè)。

4.轉(zhuǎn)換速率需要符合所用Silicon Labs器件的數(shù)據(jù)表規(guī)范。

5.XO的相位噪聲決定了DSPLL帶寬以上高達(dá)約1MHz的輸出相位噪聲。XO需要在相位噪聲中具有大約20dB的裕度，以適應(yīng)來自設(shè)備的附加相位噪聲。

5.修訂歷史

修訂版1.1

2018年9月

?增加了Si537x/9x設(shè)備覆蓋范圍。

?增加了附錄，解釋了如何為最終應(yīng)用選擇合適的晶體和晶體振蕩器。

?從推薦零件表中刪除停產(chǎn)零件。

?在推薦的零件表中添加了新零件。

?在推薦的零件表中添加了指示零件族的信息，以便在供應(yīng)商網(wǎng)站上更容易找到這些零件。

修訂版1.0

2017年1月

?首次發(fā)布。

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商標(biāo)信息

Silicon Laboratories股份有限公司?、Silicon實(shí)驗(yàn)室?、硅實(shí)驗(yàn)室?、SiLabs?和硅實(shí)驗(yàn)室徽標(biāo)?、Bluegiga?、Bluegiga徽標(biāo)?、Clockbuilder?、CMEMS?、DSLL?、EFM?、EFM32?、EFR、Ember?、Energy Micro、Energy Micro徽標(biāo)及其組合，“世界上最節(jié)能的微控制器”、Ember?、EZLink?、EZRadio?、EZRadioPRO?、Gecko?、ISOmodem?、Micrium、Precision32?、ProSLIC?、Simplicity Studio?、SiPHY?、Telegesis、Telegesics徽標(biāo)?、USBXpress?、Zentri、Z-Wave和其他是Silicon Labs的商標(biāo)或注冊(cè)商標(biāo)。ARM、CORTEX、CORTEX-M3和THUMB是ARM控股公司的商標(biāo)或注冊(cè)商標(biāo)。Keil是ARM有限公司的注冊(cè)商標(biāo)。本文提及的所有其他產(chǎn)品或品牌名稱均為其各自所有者的商標(biāo)。