晶振是晶體諧振器(quartz crystal, Xtal)和晶體振蕩器(crystal oscillator, XO)的統稱,兩者的性能、價格不一樣,用法也完全不同。
其中,諧振器(Xtal)是石英晶片的封裝體,這個晶片從石英晶體按一定方式切割而成,并經過了整形、拋光、鍍電極、調整等一系列真空操作,能以很高的Q值在指定的頻率起振。Xtal屬于無源元件,不包含起振電路,但在電路分布上與包含驅動電路的IC芯片緊密相連。
晶體振蕩器(XO,右)與石英諧振器(Xtal,左)的內部結構
相較而言,晶體振蕩器(XO)是一個完整的電路,包含了諧振片(Xtal)、振蕩電路、輸出驅動器和鎖相環電路(PLL)。XO以一定的頻率和信號格式輸出時鐘信號,如CMOS、LVDS、LVPECL等格式。電路中,XO可直接連接MCU等芯片,或者通過緩存的饋送提供特定頻率的多個版本。
那么,到底該選擇晶體諧振器(Xtal),還是振蕩器(XO)?這需要考慮以下指標。
時鐘精度要求高嗎?
晶體振蕩器(XO,右)與石英諧振器(Xtal,左)的內部結構
目前,許多消費類和電池驅動型物聯網設備都采用SoC芯片,通常需要時來同步,這樣的芯片內部通常集成了振蕩電路,只需外接一個石英鏡片即可,這時選擇諧振器(Xtal)比較合適。
對于高端應用,如數據中心、通信、工業自動化等,應用條件嚴苛,工作環境較差,通常會外接一個帶有保護裝置的XO,作為SoC芯片內部PLL的參考時鐘。這時如果選擇晶體諧振器,宕機的概率比較大。
抖動指標是多少?
時序抖動(Timing jitter)是衡量時鐘信號純度的有效指標。抖動越小,時鐘信號的噪聲就越小。由于晶體振動器(XO)擔當著系統“心跳”的角色,輸出一個清晰、低抖動的時鐘信號非常必要。這里,抖動可通過示波器的時域,或相位噪聲分析儀的頻域進行測量。
需要可變頻率嗎?
很多振蕩應用只需要一個單一、固定的頻率,如16.9344MHz、156.25MHz等。但在某些情況下,卻需要振蕩器提供可變頻率。例如,12G-SDI視頻格式就需要在297MHz和297/1.001MHz這兩個不同幀率的視頻之間切換。
雖然大多數情況下,電子工程師可能并不知道最終設計的準確頻率是多少,但是他們需要一個振蕩器作為頻率參考。對這些應用,理想的方案是選擇一個能提供多個頻率、已經預先設置并保存的XO晶振,如采用雙封、四封的多振蕩器產品。
XO晶振的另一形式是I2C可編程晶振。這種晶振具有最大的頻率靈活性,在很大頻率范圍內具有恒定的低抖動性能。這些器件可在線編程,可提供幾乎無限數量的頻率。
頻率穩定性很重要嗎?
頻率穩定性指XO晶振的輸出頻率隨溫度變化而偏移的大小,以PPM為單位,通常有±20ppm、±50ppm、±100ppm。如果頻率偏移超出了應用預期值,就很可能發生時序紊亂。
當然,衡量XO晶振頻率特性的還有總體穩定性參數,這個參數還包括了25°C的初始準確度,以及經過一段老化時間后的數值的總和。
同樣,石英諧振器經過較長一段時間后,輸出頻率也會慢慢的發生偏移。在規格書(datasheet)上,有的晶振供應商標出的是25°C一年時間的老化值,有的是10年或更長時間的數值,這也需要引起注意,以免混淆。
審核編輯:湯梓紅
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