從石英起步 - 淺談晶振選擇的那些事

　　從石英起步

　　石英振蕩器采用一種壓電材料振蕩晶體的機(jī)械共振方式，建立一個有精密頻率的電信號。該頻率一般用于跟蹤時間，如石英手表中的頻率；為數(shù)字集成電路提供穩(wěn)定的時鐘信號；以及穩(wěn)定射頻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的頻率。自上世紀(jì)20年代起，工程師們就開始將這些晶體用于建立射頻頻率，當(dāng)時貝爾電話實驗室的 AMNicholson和Wesleyan大學(xué)的WGCady教授一起研究酒石酸鉀晶體，他們發(fā)現(xiàn)了一個驅(qū)動電路中石英晶片的諧振反應(yīng)。不過在二戰(zhàn)以前，研究人員還沒有研究出大批量制造的方法。如果在一塊石英晶體上以相對晶格點陣正確的角度切割出振蕩器元件，則可以消除溫度的效應(yīng)。有些切割晶體具有零溫度系數(shù)，而LC切割則用于溫度計（圖2）。

　　因為你是從一種礦物得到石英晶體，不要假定一個石英振蕩器是低技術(shù)性器件。今天石英晶體的制造商都采用大型反應(yīng)爐（或高壓釜）作石英晶體的生長，使用高溫和30000psi（磅每平方英寸）以上的高壓（圖3）。石英晶體在一個高壓釜中的生長要花數(shù)月時間，任何地震活動或加熱器供電上最微小的降級或損失都會毀掉整個批次。一家日本公司NDK已有幾十年制造石英晶體的歷史，現(xiàn)在伊利諾伊州的Belvidere擁有高壓釜。基于上述原因，該公司決定在中西部開設(shè)新工廠，因為那里電網(wǎng)的可靠性很高，并且地震發(fā)生率很低。

　　該公司業(yè)務(wù)與應(yīng)用發(fā)展總經(jīng)理CraigTaylor稱：“我們將石英礦置入一個大型容器內(nèi)，該容器采用了軍艦主炮的技術(shù)。然后，我們將種子石英放在石英礦上方的筐內(nèi)。加入（碳酸鈉或氫氧化鈉）電極并施以高溫高壓，所有的天然石英就都分解并向上遷移。它自己會附著于種子石英上，而各種臟物與雜質(zhì)則留在容器的底部?！?/p>

　　加入放大與緩沖就使一只晶體成為一個XO（晶體振蕩器）。增加溫度補(bǔ)償電路就得到一個精度為1ppm（百萬分之一）的TCXO（溫控晶體振蕩器），將整個振蕩器置入一個控溫的封裝中，就得到一個OCXO（恒溫晶體振蕩器），精度可達(dá)十億分之一區(qū)間。一個有1ppm精度的30MHz振蕩器，隨時間與溫度變化的誤差只有30Hz。只有銣和銫原子鐘才更精準(zhǔn)，主要原因是原子振蕩源與溫度無關(guān)。有些公司還提供PXCO（可編程晶體振蕩器），你可以寫入芯片中的數(shù)字寄存器，調(diào)整頻率。

　　Pericom公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理NancyZhang表示，給一個晶體增加PLL（鎖相環(huán)），就能以低于石英晶體的成本得到更高的頻率。該公司高級營銷總監(jiān)KayAnnamalai認(rèn)為一個三次泛音晶體只能產(chǎn)生150MHz頻率。當(dāng)需求超出該頻率時，設(shè)計者一般會加PLL。他描述了Pericom的一種不用PLL實現(xiàn)倍頻的專利技術(shù)。這種方法同樣可降低晶體成本，而且也改進(jìn)了抖動特性。該公司的XP技術(shù)避免使用PLL，而頻率可超過150 MHz。

　　Epson ElectronicsAmerica公司總監(jiān)CS Lam認(rèn)為PLL也可以提高性能。Lam指出，該公司使用分?jǐn)?shù)PLL電路實現(xiàn)了優(yōu)于10ppm的精度。他還指出，第一款在12kHz至20 MHz區(qū)間內(nèi)相位抖動低于1ps-rms的PLL晶體振蕩器出現(xiàn)于2004年。

　　增加PLL亦可以通過電控修改工作頻率，有助于符合FCC（聯(lián)邦通信委員會）和CE（歐共體市場標(biāo)準(zhǔn)）的輻射標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)PLL改變時鐘頻率時，EMR（電磁輻射）或EMI（電磁干擾）的高振幅尖峰將輻射分散到一個頻段中。注意該技術(shù)并沒有降低輻射量；而只是將其掃過一個頻段，使能量測量儀器獲得一個較低的讀數(shù)。EMI留出了頻譜分析儀的測量帶寬，減少了測量讀數(shù)，能幫助你的產(chǎn)品通過符合性測試。

　　擴(kuò)頻時鐘亦在振蕩器選擇中扮演著一種角色。它有兩種廣泛的應(yīng)用：計算機(jī)與通信中的電源和系統(tǒng)時鐘。電源可以使用最多變動10%的振蕩器，將能量散布在一個寬頻帶上，大大降低測量值。這些設(shè)備采用了環(huán)形振蕩器或LC儲能，不需要石英級的精度。振蕩電路的PLL部分用硅振蕩器的輸出來建立擴(kuò)頻時鐘。與其它純硅振蕩器一樣，這些器件更能承受沖擊，并有更快的上電起動時間。由于LC儲能器或環(huán)形振蕩器有低得多的Q（質(zhì)量）值，優(yōu)于任何石英晶體或MEMS振蕩器，也許你會認(rèn)為硅振蕩器的振蕩維持要花更多的能量。然而，它只需要毫瓦級能量，因為振蕩器中的功耗取決于PLL以及溫度補(bǔ)償電路的工藝與架構(gòu)。

　　擴(kuò)頻時鐘的另一個應(yīng)用是抖動或噪聲所占百分比較少的數(shù)字系統(tǒng)。它們必須保持嚴(yán)格的時序，但甚至少量的擴(kuò)頻時鐘就可以使一塊系統(tǒng)板通過FCC測試。Pericom公司的Annamalai指出，擴(kuò)頻時鐘尤其適用于存儲子系統(tǒng)。他說：“存儲器有越來越快的趨勢，因此你會希望分散這種單一頻譜?！痹摴臼褂玫氖?Hershey’s Kiss擴(kuò)展數(shù)據(jù)曲線，這一名稱取自流行的巧克力。

　　Lexmark公司發(fā)現(xiàn)并申請了這種數(shù)據(jù)曲線的專利。要理解這種響應(yīng)曲線，設(shè)想一個正弦頻率正在對系統(tǒng)時鐘的工作頻率作調(diào)制；振蕩器花費在兩端頻率的平均時間將大于兩端之間的時間。換句話說，時鐘會在頻率區(qū)間的外邊界處停留，正弦調(diào)制在此處緩慢改變方向。這種改變產(chǎn)生了“蝙蝠耳”式頻域數(shù)據(jù)曲線（圖4）。使用了Hershey’s Kiss波形后，制造商可以消除蝙蝠耳，使你的系統(tǒng)通過FCC測試。

　　Pericom采用高Q源低抖動的石英作為系統(tǒng)時鐘。通過這種晶體與高性能低抖動PLL的結(jié)合，該公司提供一種掃頻振蕩器，它消耗能量最低，并結(jié)合了石英與硅的優(yōu)點。

　　選擇振蕩器時的另一個考慮因素是功耗。

　　新興公司MobiusMicrosystems提供一種純硅振蕩器，它提供接近石英的精度、快速起動，以及高的耐受沖擊能力。不過，該公司的實現(xiàn)方式是使硅儲能電容運行在高頻下，然后作分頻，于是功耗高于石英器件。不過，硅工藝與硅設(shè)計技術(shù)正在快速進(jìn)步，因此硅振蕩器的各種規(guī)格幾乎都應(yīng)很快得到改善。

　　SiliconLaboratories是另一家在硅技術(shù)上領(lǐng)先的公司，它同時制造純硅振蕩器，以及為石英晶體配合PLL的器件。這些器件的精度適合于低端晶振。該公司時序產(chǎn)品營銷總監(jiān)MikePetrowski稱：“無需使用機(jī)械式振蕩器是最終夢想。如果消除了機(jī)械式振蕩器，就可以提高可靠性、簡化制造流程，并易于大批量生產(chǎn)。”Petrowski堅持認(rèn)為硅振蕩器不會消耗過多能量，因為他們采用溫度補(bǔ)償方法去獲得精度，而不是對較高頻率作分頻的 PLL。

　　注意硅振蕩器可以有很多意義，例如它是一個可替代陶瓷諧振器的廉價器件，以及品質(zhì)可與石英相媲美的器件。一定要對功耗作評估，以確保使用的技術(shù)適合于自己的應(yīng)用。要注意一些細(xì)微之處，如石英晶體或MEMS振蕩器會在上電起動的數(shù)毫秒內(nèi)拉入更多電流。對于微功耗應(yīng)用或需要不斷起動和停機(jī)的應(yīng)用，這種超額電流可能會產(chǎn)生問題。

　　除了精度和功耗以外，振蕩器的另一個重要規(guī)格就是抖動，或相位噪聲，它會隨頻率而逐周期地改變。例如，一款穩(wěn)定器件可能在一個周期工作在1MHz，而在下個周期工作在2MHz，平均頻率為1.5MHz。然而，這種循環(huán)頻率的巨大變化可能在多數(shù)應(yīng)用中使器件無法使用；一個開關(guān)電源可能不會工作在這么寬的范圍內(nèi)，而一個PLL很難鎖定這種高抖動的頻率源。任何采用這種振蕩器的系統(tǒng)都不可能包括ADC或DAC，因為頻率的變化會毀掉數(shù)字處理，即使平均頻率是穩(wěn)定的。因此，很多公司的振蕩器設(shè)計小組都在公司的模擬部門。PLL是一種模擬元件，很多規(guī)格（如抖動）對模擬電路都很重要。

　　盡管抖動與相位噪聲分別是時域和頻域表述，據(jù)Linear Technology公司信號調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計部主任DougLaPorte的說法，在相同條件下，很容易將抖動規(guī)格作出錯誤表述。他說，有些公司僅在某個頻率范圍上確定抖動的規(guī)格。這些公司提供的相位噪聲圖可能只包括特定數(shù)量的相位噪聲，而忽略了噪聲的其它位。SONET（同步光纖網(wǎng)絡(luò)）這類光通信標(biāo)準(zhǔn)會傳輸，作PLL，然后再傳輸。循環(huán)有一個設(shè)計帶寬，使系統(tǒng)拒絕循環(huán)外的相位噪聲，而允許循環(huán)內(nèi)的噪聲。LaPorte指出：“［這些制造商］ 給出的規(guī)格為20kHz到10MHz。超出這個他們就不關(guān)心了。”

　　在五年以前，任何振蕩器中PLL的存在都對設(shè)計的抖動性能有負(fù)面作用。SiliconLabs的Petrowski稱，該公司過去擔(dān)心老式PLL的不良名聲。他說：“當(dāng)我們推出自己基于PLL的振蕩器時，我們都擔(dān)心會有一些負(fù)面意義。我們對這些器件作了大量研發(fā)工作，并申請了大量專利，做一個低抖動 PLL是絕對有可能的，尤其是在更精細(xì)的IC尺度下?！?/p>

　　一款PLL的特性及其模擬濾波、相位檢測和VCO（壓控振蕩器），在電路的各個點都引起更多抖動。過去五年來，設(shè)計者開始采用打線作為IC上的小型導(dǎo)體，替代IC片芯上分散的空間導(dǎo)體?，F(xiàn)在，IC設(shè)計者可以用電感和電容作為電抗元件，濾波器與儲能電路都可以有更高Q值，有更多的極性和零點。

　　例如，MaximIntegrated Products公司在自己的設(shè)計中采用基于LC的振蕩器，而不是環(huán)形振蕩器。該公司精密振蕩器業(yè)務(wù)經(jīng)理Paul Nunn表示：“環(huán)形振蕩器要比LC型振蕩器有更多的抖動?！焙芏喙静捎眠@些高質(zhì)量的PLL，因為他們可以使振蕩器有可調(diào)頻率和低抖動。這些公司包括 Pericom、Silicon Labs、SiTime、安塞美半導(dǎo)體公司與Fox Electronics。