浅谈晶振选择的那些事
供电上最微小的降级或损失都会毁掉整个批次。一家日本公司NDK已有几十年制造石英晶体的历史,现在伊利诺伊州的Belvidere拥有高压釜。基于上述原因,该公司决定在中西部开设新工厂,因为那里电网的可靠性很高,并且地震发生率很低。
该公司业务与应用发展总经理CraigTaylor称:"我们将石英矿置入一个大型容器内,该容器采用了军舰主炮的技术。然后,我们将种子石英放在石英矿上方的筐内。加入(碳酸钠或氢氧化钠)电极并施以高温高压,所有的天然石英就都分解并向上迁移。它自己会附着于种子石英上,而各种脏物与杂质则留在容器的底部。"
加入放大与缓冲就使一只晶体成为一个XO(晶体振荡器)。增加温度补偿电路就得到一个精度为1ppm(百万分之一)的TCXO(温控晶体振荡器),将整个振荡器置入一个控温的封装中,就得到一个OCXO(恒温晶体振荡器),精度可达十亿分之一区间。一个有1ppm精度的30MHz振荡器,随时间与温度变化的误差只有30Hz。只有铷和铯原子钟才更精准,主要原因是原子振荡源与温度无关。有些公司还提供PXCO(可编程晶体振荡器),你可以写入芯片中的数字寄存器,调整频率。
Pericom公司产品营销经理NancyZhang表示,给一个晶体增加PLL(锁相环),就能以低于石英晶体的成本得到更高的频率。该公司高级营销总监KayAnnamalai认为一个三次泛音晶体只能产生150MHz频率。当需求超出该频率时,设计者一般会加PLL。他描述了Pericom的一种不用PLL实现倍频的专利技术。这种方法同样可降低晶体成本,而且也改进了抖动特性。该公司的XP技术避免使用PLL,而频率可超过150 MHz。
Epson ElectronicsAmerica公司总监CS Lam认为PLL也可以提高性能。Lam指出,该公司使用分数PLL电路实现了优于10ppm的精度。他还指出,第一款在12kHz至20 MHz区间内相位抖动低于1ps-rms的PLL晶体振荡器出现于2004年。
增加PLL亦可以通过电控修改工作频率,有助于符合FCC(联邦通信委员会)和CE(欧共体市场标准)的辐射标准。当PLL改变时钟频率时,EMR(电磁辐射)或EMI(电磁干扰)的高振幅尖峰将辐射分散到一个频段中。注意该技术并没有降低辐射量;而只是将其扫过一个频段,使能量测量仪器获得一个较低的读数。EMI留出了频谱分析仪的测量带宽,减少了测量读数,能帮助你的产品通过符合性测试。
扩频时钟亦在振荡器选择中扮演着一种角色。它有两种广泛的应用:计算机与通信中的电源和系统时钟。电源可以使用最多变动10%的振荡器,将能量散布在一个宽频带上,大大降低测量值。这些设备采用了环形振荡器或LC储能,不需要石英级的精度。振荡电路的PLL部分用硅振荡器的输出来建立扩频时钟。与其它纯硅振荡器一样,这些器件更能承受冲击,并有更快的上电起动时间。由于LC储能器或环形振荡器有低得多的Q(质量)值,优于任何石英晶体或MEMS振荡器,也许你会认为硅振荡器的振荡维持要花更多的能量。然而,它只需要毫瓦级能量,因为振荡器中的功耗取决于PLL以及温度补偿电路的工艺与架构。
扩频时钟的另一个应用是抖动或噪声所占百分比较少的数字系统。它们必须保持严格的时序,但甚至少量的扩频时钟就可以使一块系统板通过FCC测试。Pericom公司的Annamalai指出,扩频时钟尤其适用于存储子系统。他说:"存储器有越来越快的趋势,因此你会希望分散这种单一频谱。"该公司使用的是 Hershey’s Kiss扩展数据曲线,这一名称取自流行的巧克力。
Lexmark公司发现并申请了这种数据曲线的专利。要理解这种响应曲线,设想一个正弦频率正在对系统时钟的工作频率作调制;振荡器花费在两端频率的平均时间将大于两端之间的时间。换句话说,时钟会在频率区间的外边界处停留,正弦调制在此处缓慢改变方向。这种改变产生了"蝙蝠耳"式频域数据曲线(图4)。使用了Hershey’s Kiss波形后,制造商可以消除蝙蝠耳,使你的系统通过FCC测试。
Pericom采用高Q源低抖动的石英作为系统时钟。通过这种晶体与高性能低抖动PLL的结合,该公司提供一种扫频振荡器,它消耗能量最低,并结合了石英与硅的优点。
选择振荡器时的另一个考虑因素是功耗。
新兴公司MobiusMicrosystems提供一种纯硅振荡器,它提供接近石英的精度、快速起动,以及高的耐受冲击能力。不过,该公司的实现方式是使硅储能电容运行在高频下,然后作分频,于是功耗高于石英器件。不过,硅工艺与硅设计技术正在快速进步,因此硅振荡器的各种规格几乎都应很快得到改善。
SiliconLaboratories是另一家在硅技术上领先的公司,它
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