VCXO Oscillator成為時鐘發(fā)生器的記錄隨筆
來源：http://djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年08月05
時鐘發(fā)生器(CLK)與振蕩器有些類似,都是產(chǎn)生并提供產(chǎn)品時鐘信號的電子元器件,但是跟晶體振蕩器有很大的不同,晶振是一種頻率控制元器件,是依靠頻率振蕩后產(chǎn)生信號的,時鐘發(fā)生器則是在主板啟動時提供初始化時鐘信號,二者還是有比較明顯的區(qū)別.那么標題中說到,VCXO晶振作為CLK時鐘發(fā)生器都是怎樣操作的呢?VCXO(壓控晶體振蕩器)是一種振蕩器,其頻率由晶體決定,但可以通過改變控制電壓進行少量調(diào)節(jié).VCXO時鐘(CLK)發(fā)生器已經(jīng)用于各種應(yīng)用,例如數(shù)字電視,數(shù)字音頻,ADSL和STB.本應(yīng)用筆記提供了VCXO CLK發(fā)生器的一般結(jié)構(gòu),關(guān)鍵性能測量,PCB設(shè)計指南以及MAX 9485的測試設(shè)置,MAX9485是用于MPEG2和AC-3音頻應(yīng)用的VCXO CLKGen芯片.
VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用
VCXO或壓控晶體振蕩器以晶體確定的頻率振蕩,但可通過控制電壓在較窄的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),通常在0V-2V或0V-3V的范圍內(nèi).VCXO的調(diào)諧范圍約為±100ppm至±200ppm.圖1顯示了典型VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和晶體的電路模型.
其中CL是等效負載電容,是CV1,2和CS1,2的集總和.更準確地說,CL=(CV1+CS1)||(CV2+CS2).采用一階近似并考慮到C1<
圖2顯示了fC在CS1值方面的典型曲線,其中CS1=CS2.
圖2.VCXO頻率與分流電容器CS1(CS1=CS2).
使用這種微調(diào)功能,通常將VCXO和PLL組合在一起,以創(chuàng)建具有微調(diào)功能的CLK發(fā)生器.VCXO CLK發(fā)生器已用于各種應(yīng)用,例如數(shù)字電視,數(shù)字音頻,ADSL和STB.Maxim的MAX9485是一款CLK發(fā)生器芯片,專為MPEG-2和Dolby Digital音頻(AC-3)應(yīng)用而設(shè)計[1].它可以提供幾乎所有用于音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的頻率.它支持從12kHz到96kHz的采樣頻率.Maxim還在為其他應(yīng)用開發(fā)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)來表征VCXO CLK發(fā)生器.最重要的是調(diào)諧電壓范圍,中心頻率,拉動(調(diào)諧)范圍和輸出CLK的抖動.調(diào)諧電壓范圍是VCXO石英晶振控制電壓的變化范圍.該電壓控制變?nèi)荻O管的電容.通常它在0V-2V或3V的范圍內(nèi).中心頻率是VCXO輸出頻率范圍中間的頻率.牽引范圍是上(或下)頻率變化與中心頻率的比率.該比率通常以ppm(百萬分率)表示.該測量提供VCXO的相對牽引范圍.通常,拉伸范圍約為100ppm-200ppm,這取決于VCXO和所選晶體的結(jié)構(gòu).CLK抖動是CLK發(fā)生器的關(guān)鍵測量.有幾種抖動定義.兩種最常用的抖動測量稱為周期抖動和周期到周期抖動.我們將在第4節(jié)中討論它們.抖動取決于CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu),它隨芯片而變化,對CLK發(fā)生器的抖動要求也因應(yīng)用而異.
晶體選擇和電路板設(shè)計
VCXO CLK發(fā)生器的質(zhì)量和特性會受到晶體選擇和PCB布局的影響.在晶體選擇方面,除頻率,封裝,精度和工作溫度范圍外,對于VCXO應(yīng)用,用戶必須注意等效串聯(lián)電阻和負載電容.串聯(lián)電阻提供晶體的功耗測量.電阻值越小,振蕩器啟動越容易.負載電容是晶體的重要參數(shù).首先,它決定了晶體的共振頻率.通常,晶體的標記頻率意味著在將指定的負載電容與其并聯(lián)連接之后晶體的諧振頻率.大號等于規(guī)定的負載電容,但這不是將值從1/(2π√L1Ç1).因此,很明顯VCXO的調(diào)諧范圍與CL的值密切相關(guān).對于較小的負載電容值,VCXO調(diào)諧范圍限制在上側(cè);同樣,較大的電容值會降低下側(cè)的調(diào)諧范圍.加載電容的正確值取決于VCXO的特性.
例如,在MAX9485設(shè)計中,為了平衡調(diào)諧范圍,調(diào)諧曲線的中心和電路板設(shè)計的簡易性,我們選擇了Ecliptek(ECX-5527-27)[2]的具有14pf負載電容的27MHz晶振.有了這樣的晶體,MAX9485可以提供±200ppm的脈沖范圍,參見圖3.應(yīng)該提到的是,晶體的拉伸范圍也隨包裝而變化.通常,金屬罐裝封裝具有比表面安裝器件(SMD)更大的拉動范圍.然而,最近DAISHINKUCorp[5]制造了一種新的SMD晶體,可提供與金屬罐裝晶體相似的拉伸范圍.我們測試了SMD晶振(DSX530GA),發(fā)現(xiàn)兩個4pf并聯(lián)電容的調(diào)諧范圍約為±200ppm,見圖4.
圖3
圖4
為了限制VCXO的調(diào)諧范圍,我們可以通過改變外部并聯(lián)電容來設(shè)置上限.并聯(lián)電容的值在4ps-7ps的范圍內(nèi),具體取決于電路板的寄生電容.另一方面,較低的范圍由內(nèi)部矢量的值確定,其不能在外部改變.為了減少寄生電容對上調(diào)諧范圍的影響,在電路板布局中,我們應(yīng)該盡量減小晶體引腳對地的寄生電容,從而在引腳與接地和電源方案之間提供良好的間隙.有關(guān)電路板布局的詳細信息,請參考MAX9485評估(EV)套件[4].
測量輸出CLK抖動的設(shè)置
對于石英晶體振蕩器,抖動是一項重要的性能測量.有兩種最常用的抖動定義:周期抖動和周期間抖動,見圖5細節(jié).為了測量抖動,我們可以使用高速數(shù)字采樣示波器對大量數(shù)據(jù)進行采樣,并根據(jù)定義計算抖動.Tektronix(TDS7254)或Lecroy(Wavepro960)的示波器使用配備的軟件提供這些測量.我們還可以使用高速數(shù)字示波器來測量時域中的周期抖動[3].圖5顯示了設(shè)置.通過時域方法,我們無法測量周期到周期的抖動.但是,如果每個周期的抖動噪聲是獨立且相同分布的,則周期間抖動是周期抖動的1.414倍.MAX9485可根據(jù)不同的音頻采樣頻率和頻率比例因子產(chǎn)生21種不同的輸出頻率.我們使用了圖6中所示的設(shè)置測量所有可能的輸出CLK頻率的周期抖動.表1顯示了測量結(jié)果.
圖5.輸出抖動測量.
圖6.自觸發(fā)抖動測量設(shè)置.
從該表中我們可以看出,通常Oscillator頻率越高,抖動越低.但是,如果我們使用相對度量來描述抖動,例如單位間隔(UI),從表格的最后一列看,抖動是可比較的.另外,注意到36.864MHz,33.8688MHz,24.5760MHz和12.288MHz的頻率可以通過不同的采樣頻率Fs和比例因子產(chǎn)生,這導(dǎo)致不同的抖動測量.因此,當使用這些頻率時,用戶應(yīng)選擇Fs和產(chǎn)生最低抖動的比例因子.
VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用
VCXO或壓控晶體振蕩器以晶體確定的頻率振蕩,但可通過控制電壓在較窄的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),通常在0V-2V或0V-3V的范圍內(nèi).VCXO的調(diào)諧范圍約為±100ppm至±200ppm.圖1顯示了典型VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和晶體的電路模型.
圖1.典型VCXO CLK發(fā)生器的框圖.
隨著變?nèi)荻O管CV1和CV2的電容變化,晶振的模型受到影響,振蕩頻率也會發(fā)生變化.兩個分流外部并聯(lián)電容器CS1和CS2用于調(diào)節(jié)調(diào)諧范圍并偏移中心頻率.數(shù)學(xué)上,根據(jù)圖1中的晶體電路,晶體的共振頻率可表示為其中CL是等效負載電容,是CV1,2和CS1,2的集總和.更準確地說,CL=(CV1+CS1)||(CV2+CS2).采用一階近似并考慮到C1<
圖2顯示了fC在CS1值方面的典型曲線,其中CS1=CS2.
圖2.VCXO頻率與分流電容器CS1(CS1=CS2).
VCXO CLK發(fā)生器的關(guān)鍵參數(shù)
有許多參數(shù)來表征VCXO CLK發(fā)生器.最重要的是調(diào)諧電壓范圍,中心頻率,拉動(調(diào)諧)范圍和輸出CLK的抖動.調(diào)諧電壓范圍是VCXO石英晶振控制電壓的變化范圍.該電壓控制變?nèi)荻O管的電容.通常它在0V-2V或3V的范圍內(nèi).中心頻率是VCXO輸出頻率范圍中間的頻率.牽引范圍是上(或下)頻率變化與中心頻率的比率.該比率通常以ppm(百萬分率)表示.該測量提供VCXO的相對牽引范圍.通常,拉伸范圍約為100ppm-200ppm,這取決于VCXO和所選晶體的結(jié)構(gòu).CLK抖動是CLK發(fā)生器的關(guān)鍵測量.有幾種抖動定義.兩種最常用的抖動測量稱為周期抖動和周期到周期抖動.我們將在第4節(jié)中討論它們.抖動取決于CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu),它隨芯片而變化,對CLK發(fā)生器的抖動要求也因應(yīng)用而異.
晶體選擇和電路板設(shè)計
VCXO CLK發(fā)生器的質(zhì)量和特性會受到晶體選擇和PCB布局的影響.在晶體選擇方面,除頻率,封裝,精度和工作溫度范圍外,對于VCXO應(yīng)用,用戶必須注意等效串聯(lián)電阻和負載電容.串聯(lián)電阻提供晶體的功耗測量.電阻值越小,振蕩器啟動越容易.負載電容是晶體的重要參數(shù).首先,它決定了晶體的共振頻率.通常,晶體的標記頻率意味著在將指定的負載電容與其并聯(lián)連接之后晶體的諧振頻率.大號等于規(guī)定的負載電容,但這不是將值從1/(2π√L1Ç1).因此,很明顯VCXO的調(diào)諧范圍與CL的值密切相關(guān).對于較小的負載電容值,VCXO調(diào)諧范圍限制在上側(cè);同樣,較大的電容值會降低下側(cè)的調(diào)諧范圍.加載電容的正確值取決于VCXO的特性.
例如,在MAX9485設(shè)計中,為了平衡調(diào)諧范圍,調(diào)諧曲線的中心和電路板設(shè)計的簡易性,我們選擇了Ecliptek(ECX-5527-27)[2]的具有14pf負載電容的27MHz晶振.有了這樣的晶體,MAX9485可以提供±200ppm的脈沖范圍,參見圖3.應(yīng)該提到的是,晶體的拉伸范圍也隨包裝而變化.通常,金屬罐裝封裝具有比表面安裝器件(SMD)更大的拉動范圍.然而,最近DAISHINKUCorp[5]制造了一種新的SMD晶體,可提供與金屬罐裝晶體相似的拉伸范圍.我們測試了SMD晶振(DSX530GA),發(fā)現(xiàn)兩個4pf并聯(lián)電容的調(diào)諧范圍約為±200ppm,見圖4.
圖3
圖4
測量輸出CLK抖動的設(shè)置
對于石英晶體振蕩器,抖動是一項重要的性能測量.有兩種最常用的抖動定義:周期抖動和周期間抖動,見圖5細節(jié).為了測量抖動,我們可以使用高速數(shù)字采樣示波器對大量數(shù)據(jù)進行采樣,并根據(jù)定義計算抖動.Tektronix(TDS7254)或Lecroy(Wavepro960)的示波器使用配備的軟件提供這些測量.我們還可以使用高速數(shù)字示波器來測量時域中的周期抖動[3].圖5顯示了設(shè)置.通過時域方法,我們無法測量周期到周期的抖動.但是,如果每個周期的抖動噪聲是獨立且相同分布的,則周期間抖動是周期抖動的1.414倍.MAX9485可根據(jù)不同的音頻采樣頻率和頻率比例因子產(chǎn)生21種不同的輸出頻率.我們使用了圖6中所示的設(shè)置測量所有可能的輸出CLK頻率的周期抖動.表1顯示了測量結(jié)果.
圖5.輸出抖動測量.
圖6.自觸發(fā)抖動測量設(shè)置.
表1.周期抖動與輸出頻率的關(guān)系
| F OUT | 縮放因子 | FS | Jp(RMS) | |
| (MHz) | 千赫 | (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 |
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