理解晶体振荡器参数以优化元器件选择

在几乎所有的电子电路中，石英晶体振荡器都是负责频率/定时精度和性能的核心器件。因此，需要他们保持时间的精确与可靠。当然，“完美”的振荡器只存在于理论之中，所以对于设计者来说，问题在于如何选择合适的振荡器来满足设计目标。这不是一件容易的事。

一旦确定了应用的性能要求，设计人员就需要为相关电路寻找合适的解决方案，要做好性能、成本、稳定性、尺寸、功率、物理结构和驱动能力等方面的平衡。为此，他们需要了解振荡器的工作原理、关键特征以及它们的发展历程。

本文将先对晶体振荡器基础知识进行概要性介绍，然后从各个角度对高性能晶体振荡器模块作进一步探讨。然后，以 ECS Inc. 的代表性器件为例，先简要回顾这些振荡器的基本原理，然后教大家如何识别其一级和二级参数，以及这些参数的一些实际值。最后还将介绍如何根据一些典型应用的需要进行器件选型匹配。

晶体振荡器工作原理

晶体振荡器为处理器提供脉冲时钟，为数据链路提供位定时，为数据转换提供采样时间，为调谐器和合成器提供主频。简而言之，晶体振荡器的石英元件在振荡器电路的反馈网络中充当了极高 Q 值谐振元件（图 1）。由于晶体及其振荡器的重要性，人们对石英材料的基本物理特性及其电气和机械性能，以及各种振荡器电路进行了广泛的研究和分析。

图 1：晶体利用压电效应在振荡器电路的反馈回路中起到了精确稳定的高 Q 值谐振元件的作用。（图片来源：ECS Inc. International，经修改）

多年来，用户会指定晶体的频率和其他关键特征，然后使用真空管（早期使用）提供自己的独立振荡器电路，然后才是晶体管，最后使用的是 IC。这种电路通常结合了细心的设计分析以及某些“艺术”和经验上的判断，因为有很多相互关联的微妙之处。设计者会试图平衡这些因素，让振荡器的性能与石英晶体的“切型”和特征以及应用优先要求相匹配。

现在，这种自己动手式 (DIY) 晶体振荡器设计比较少见，因为要把最初的设计做好，需要时间和精力。还有就是准确测量振荡器的性能。这很复杂，需要精密的仪器和精心的设置。相反，对于许多应用来说，设计者只需购买一个微小、全封闭的模块即可，其中包括了石英元件以及振荡器电路及其输出驱动器。这显然减少了设计的工作量和时间，同时用户也得到了一个完整的特征单元和一个有保证规格的规格书。

关于术语的说明：出于历史和其他原因，工程师们经常使用“晶体”这个词，但实际上是在谈论整个晶体振荡器电路。一般来说，这不是问题，因为从上下文中就能理解其本意。然而，有时会导致混乱，因为仍有可能将晶体作为独立组件购买，然后提供单独的振荡器电路。本文使用“振荡器”一词，指的是晶体加其振荡器电路，作为一个自成一体的模块来称，而非单指振荡器电路。

晶体振荡器的特征描述

与任何组件一样，晶体振荡器的性能最初是由一组一级参数定义的。按其一般重要性顺序分别是：

工作频率：范围从几十千赫兹 (kHz) 到几百兆赫兹 (MHz) 不等。振荡器的频率高于振荡器的基本范围，如进入千兆赫兹 (GHz) 范围，通常使用锁相环 (PLL) 作为频率乘法器对其基本频率进行上变频。

频率稳定性：这是振荡器的第二个关键性能因素。它定义了由于外部条件导致的输出频率相对其原始值的偏差，所以这个数字越小越好。

影响稳定性的外部条件有很多，很多厂商都会把这些条件单独列出来，这样设计师就可以评估在具体应用中的实际影响。在这些因素中，有相对于 25⁰C 时标称频率的温度相关差异；其他因素包括老化引起的长期稳定性，以及焊接、供电电压变化和输出负载变化的影响。对于高性能设备，通常以百万分之一 (ppm) 或十亿分之一 (ppb) 为单位，比较基础是标称输出频率。

相位噪声和抖动： 这是对同一类性能的两个衡量角度。相位噪声表征频域内的时钟噪声，而抖动则表征时域内的误差（图 2）。

图 2：时域内抖动和频域内相位噪声是对同一缺陷的两种同样有效的解释。具体优先用那一个指标取决于具体应用。（图片来源：ECS Inc. International）

根据应用的不同，设计者将主要关注其中一个域（时域或频域）的误差。相位噪声通常定义为在指定频率偏移 _fm 下 1 赫兹 (Hz) 带宽内噪声与频率 f_O 下振荡器信号振幅之比。相位噪声会降低频率合成器的精度、分辨率和信噪比 (SNR)（图 3），而抖动则会导致时序错误，从而导致数据链中的误码率 (BER) 增加。

图 3：相位噪声会扩散振荡器的功率谱，对分辨率和 SNR 有不利影响。（图片来源：ECS Inc. International）

定时抖动会导致模拟/数字转换中的采样时间误差，因此，也会影响 SNR 和后续的快速傅立叶变换 (FFT) 频率分析。

ECS Inc. 的 MultiVolt 系列标准振荡器 (MV) 稳定性低至 ±20 ppm，而其稳定性严格版振荡器 (SMV) 的稳定性更是低至 ±5 ppm。为了实现更严格的稳定性，MultiVolt TCXO 的方波输出提供了 ±2.5 ppm 的性能，削峰正弦波输出提供了 ±0.5 ppm 的性能（下文将进一步解释 TCXO 和削峰正弦波）。

无论使用哪个域，相位噪声/抖动都是高性能设计的一个重要因素，必须在考虑应用需求的同时，在误差预算中考虑到这个因素。需要注意的是，抖动有很多类型，包括绝对抖动、周期间抖动、积分相位抖动、长期抖动和周期抖动；对于相位噪声，也有不同的积分范围和类型，包括白噪声和各种噪声“颜色”。

理解振荡器的抖动和相位噪声的细节以及在应用中的影响通常是一个挑战。很难将一个规格从一个域转换为另一个域，相反，用户应该多看规格书。在总体误差预算中核算这些误差时，理解合理的但不同的性能量化厂家定义也很重要。

输出信号类型和驱动：这些必须与所连接的负载相匹配（图 4）。两种输出驱动拓扑为单端和差分形式。

图 4：存在不同输出格式且必须与振荡器负载配置兼容。（图片来源：ECS Inc. International）

单端振荡器比较容易实现，但对噪声比较敏感，一般只有在几百兆赫以下才比较适合。单端输出类型有：

• TTL（晶体管对晶体管逻辑）： 0.4 至 2.4 伏（现在很少使用）
• CMOS（互补金属氧化物半导体）： 0.5 至 4.5 伏
• HCMOS（高速 CMOS）： 0.5 至 4.5 伏
• LVCMOS（低压 CMOS）： 0.5 至 4.5 伏

差分输出的设计难度较大，但在高频应用中性能更好，因为差分线路走线的任何共同噪声都会被抵消。这有助于维持负载电路所看到的振荡器性能。差分信号类型有：

• PECL（正射极耦合逻辑）： 3.3 至 4.0 伏
• LVPECL（低压 PECL）： 1.7 至 2.4 伏
• CML（电流模式逻辑）： 0.4 至 1.2 伏和 2.6 至 3.3 伏
• LVDS（低压差信号）： 1.0 至 1.4 伏
• HCSL（高速电流引导逻辑）：0.0 至 0.75 伏

信号类型的选择由应用的优先级和相关电路决定。

振荡器的输出波形可以是经典的单频正弦波，也可以是削峰正弦波（图 5）。模拟波是“最干净”的，相对于使用比较器电路将其转换为方波，其受抖动/相位噪声的影响最小，因为波形转换会增加抖动/相位噪声，从而降低其等级。削峰正弦波产生类似方波的输出，与数字负载兼容，且不会牺牲任何性能。

图 5：削峰正弦波近似于方波，同时将任何额外的抖动或相位噪声降到最低。（图片来源：ECS Inc. International）

供电电压和电流：这些参数现在都有所下降，以满足当今低电压和通常由电池供电的系统的需求。大多数 MultiVolt 系列振荡器可以在 1.8 伏、2.5 伏、3.0 伏和 3.3 伏的供电电压下工作。

封装尺寸：与工作电压和电流一样，振荡器的封装也越来越小。业界针对单端器件提供了一些标准化的尺寸（只需要 4 个接点），而差分振荡器有 6 个接点，使用较大的封装，以下所提供尺寸均以毫米 (mm) 为单位：

1612：1.6 mm × 1.2 mm

2016：2.0 mm × 1.6 mm

2520：2.5 mm × 2.0 mm

3225：3.2 mm × 2.5 mm

5032：5.0 mm × 3.2 mm

7050：7.0 mm × 5.0 mm

温度才是主要问题

影响和改变振荡器性能的最大外部因素是温度。即使在振荡器的工作功率很低，自发热几乎可以忽略不计的情况下，环境温度也会影响工作频率，因为这些变化会影响石英晶体的机械尺寸和应力。重要的是要检查所选振荡器在预期范围两极时的性能。这些范围通常被描述为：

• 商用、汽车 4 级： 0 至 +70°C
• 扩展商用： -20 至 +70°C
• 工业、汽车 3 级： -40 至 +85°C
• 扩展工业、汽车 2 级： -40 至 +105°C
• 汽车 1 级： -40 至 +125℃
• 军用： -55 至 +125℃
• 汽车 0 级： -40 至 +150°C

对于一些设计来说，不仅要考虑温度性能，还需要满足其他可靠性指标。例如，ECS-2016MVQ 是一款小型表面贴装 MultiVolt HCMOS 输出振荡器，适用于 1.7 至 3.6 伏的工作电压（图 6）。2016（2.0 mm × 1.6 mm，见上图）规格陶瓷封装的尺寸为 0.85 mm 高，目标是更严苛的工业应用，并通过了 AEC-Q200 认证（车规），满足 1 级温度要求。其温度范围为 -40°C 到 +85°C，频率范围为 1.5 到 54 MHz，有 4 个频率稳定性等级，从 ±20 ppm 到 ±100 ppm 不等；相位抖动非常低， 12 kHz 到 5 MHz 频率范围内测量值只有 1 皮秒 (ps)。

图 6：ECS-2016MVQ 可用于 1.5 到 54 MHz 频率，稳定性分四个等级，从 ±20ppm 到 ±100ppm 不等。（图片来源：ECS Inc. International）

对于在工作范围内漂移过大的应用，有两种先进的振荡器实现：温度补偿型晶体振荡器 (TCXO) 和恒温控制型晶体振荡器 (OCXO)。（请注意，XTAL 在许多原理图上指代晶体，"X" 是其首字母缩写。）TCXO 使用一个有源电路来补偿由于温度变化而导致的输出频率变化。相比之下，在 OCXO 中，晶体振荡器被放置在一个绝热的烘箱中，该烘箱被加热并保持在高于最高环境温度的恒定温度下（纯加热的烘箱不能冷却到环境温度以下）。

与基本振荡器相比，TCXO 需要额外的电路，但功率远低于带烘箱的 OCXO，后者通常需要几瓦功率。此外，TCXO 只是比无补偿装置的稍大，但比 OCXO 小得多。TCXO 的漂移改进比无补偿装置的通常要提高 10 到 40 倍，相比之下 OXCO 的漂移可能会有两个数量级的提高，只是尺寸和功率会大为增加。

ECS-TXO-32CSMV 是一款具有 MultiVolt 功能的削峰正弦波表面贴装 TCXO，供电电压为 1.7 至 3.465 伏，适用于 10 至 52 MHz 的频率（图 7）。3.2 × 2.5 × 1.2 mm 尺寸的陶瓷封装非常适合稳定性至关重要的便携式和无线应用。主要规格显示了其具有极高的温度、电源变化、负载变化和老化稳定性，以及低于 2 mA 的适度电流要求（表 1）。

图 7：ECS-TXO-32CSMV 是一款削峰正弦波输出晶体振荡器，其内部集成了补偿电路，大大提高了稳定性。（图片来源：ECS Inc. International）

表 1：温度补偿型 ECS-TXO-32CSMV TXCO 的规格显示了其内部补偿是如何在一组外部干扰下提高稳定性的。（图片来源：ECS Inc. International）

低功耗操作：通常优先考虑

尽管处理器时钟和数据速率有越来越高的趋势，但在极端的低功耗应用中，仍然需要大量的低频晶体振荡器来进行计时。例如，ECS-327MVATX 是一款小型表面贴装振荡器，工作频率固定为 32.768 kHz，具有 MultiVolt 功能（1.6 至 3.6 伏）。其电流要求仅为 200 微安 (µA)，并具有单端 CMOS 输出，非常适合实时时钟 (RTC)、低功耗/便携式、工业和物联网 (IoT) 应用。它提供 2016 到 7050 的封装尺寸，频率稳定性范围从严格的 ±20ppm 到有点宽松的 ±100ppm，温度范围 -40⁰C 到 +85⁰C，具体取决于型号。

为了最大限度地降低平均功耗，许多振荡器还提供了使能/禁用功能。例如，ECS-5032MV 是一款 125 MHz 表面贴装振荡器，具有 1.6 至 3.6 伏的 MultiVolt 工作能力和 CMOS 输出，采用 5032 陶瓷封装（图 8）。

图 8：ECS-5032MV 是一款 125MHz 表面贴装振荡器，具有使能/禁用功能，有助于节省功耗。（图片来源：ECS Inc. International）

其四个触头中有一个能够让振荡器进入待机模式，能将所需电流从 35 mA 的有效值降低到只有 10 微安 (µA) 的待机电流。重新启用该器件后，启动时间为 5 毫秒 (ms)。

应用的规格匹配

正如预期的那样，确定应用适合哪种晶体振荡器是对规格、优先级、成本及其相对权重的平衡。相比选择一个具有所需标称频率、频率稳定性、抖动/相位噪声等属性的装置作为独立振荡器来说，这种平衡考量要复杂得多。用户还必须确保振荡器的输出驱动与相关负载和系统兼容，这样配对后才不会降低性能。虽然这样的考虑因素有许多，但也有一些一般性的准则。

• LVDS 输出只需要在接收器处安装一个电阻，而 LVPECL 则需要在发射器和接收器处进行端接。
• LVDS、LVPECL 和 HCSL 比 CMOS 有更快的转换速度，但需要更多的功率，最适合高频设计。
• 如要在 150 MHz 以上实现最低功耗，CMOS 或 LVDS 则是最佳选择。
• LVPECL、LVDS，然后是 CMOS，则可在较低频率下实现最佳的抖动性能。

结语

石英晶体振荡器是许多电路和系统的核心。要确保其功能和性能符合应用要求，就需要仔细平衡关键参数，首先是确定标称频率精度、稳定性与温度的关系，然后考虑抖动和相位噪声等其他因素。还需要将振荡器的输出驱动格式与负载电路的特征相匹配。ECS MultiVolt 系列晶体振荡器在一个完整、易用的模块中实现了各种规格组合，性能表现出色。