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同步數字系統的出現，令不起眼的振蕩器成為基于微處理器的現代數字系統的核心。振蕩器的數千種應用創造了極其廣泛的振蕩器源及配置，并且采用流形諧振器結構。

盡管如此，由于諧振器和內部放大器種類繁多，若干種溫度穩定方案也不相同，因此在選擇振蕩器時往往忽視了對其用途的充分了解。所有這些因素都會影響器件的尺寸、精度、穩定性和成本，以及它們在設計中的應用方式。

本文將幫助設計人員更好地了解振蕩器的操作和結構、關鍵規格，以及如何與設計要求相匹配。

本文同時會探討輸出波形、頻率精度和穩定性、相位噪聲、抖動、負載和溫度變化以及成本，還有如何以最佳方式使用振蕩器來獲得設計成功。

振蕩器基礎知識

振蕩器是一種電子電路，能夠以需要的頻率產生周期波形。通用振蕩器的功能框圖包含一個放大器，以及一個帶有頻率選擇性反饋網絡的反饋路徑（圖 1）。如果回路增益在所需的振蕩頻率下等于或大于 1，同時回路的相移等于 2p 弧度的倍數，則可以啟動并維持振蕩。這是一種正反饋條件。

頻率相關網絡可以是電感電容 (LC) 網絡，或是電阻電容 (RC) 網絡，但精密振蕩器通常需要采用諧振器。諧振器選型是需要處理的規格之一，因為每種諧振器都有自身的優缺點。

圖 1：基本振蕩器的功能示意圖由一個放大器及一個頻率選擇性網絡或諧振器組成（采用正反饋配置）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

常用的諧振器包括石英晶體、表面聲波 (SAW) 濾波器或微機電系統 (MEMS)。

當這樣的振蕩器首次上電時，電路中的唯一信號就是噪聲。在滿足振蕩增益和相位狀態的頻率下，噪聲元素會圍繞電路環路循環，而且振幅會因電路的正反饋而逐漸增加。信號振幅會持續增加，直至因放大器特性或外部自動增益控制 (AGC) 單元而受到限制為止。此時可以控制振蕩器輸出的波形，常見的波形選擇包括正弦波、削頂正弦波或邏輯（“0”或“1”）輸出。如果選擇邏輯輸出，則還必須選擇邏輯系列（HCMOS、TTL、ECL、LVDS…）。

正弦輸出主要用于通信相關應用中的載波和本地振蕩器信號生成，在這些應用中頻譜純度是關鍵考慮因素。正弦波形僅在基本頻率下才具有明顯功率，在諧波頻率下幾乎沒有功率。

振蕩器的關鍵規格是頻率穩定性，該參數定義了振蕩器保持頻率的程度。相關的規格包括老化率，該參數具體說明了振蕩器頻率在相當長的時間間隔（通常是一年）內的漂移情況。隨著應用速度的提高，振蕩器相位的短期變化已經成為一個重要問題。這種短期的相位變化稱為振蕩器的相位噪聲。相位噪聲是一種頻域規格。等效時域規格包括相位抖動或時間間隔誤差。

諧振器

在基本振蕩器中，反饋網絡可以是幾種諧振結構中的任何一種。最常見的是石英晶體。石英晶體諧振器使用壓電效應。施加在晶體上的小電壓導致晶體變形，而施加在晶體上的力則會產生電荷。這一系列的機電互換形成了非常穩定的振蕩器的基礎。這種效應會在特定頻率下產生振蕩，而該頻率與晶體類型、切割晶體的幾何方向及晶體尺寸有關。

晶體固定在兩個電極之間，從而形成晶體諧振器的輸入和輸出。在這些條件下，晶體就像一個高選擇性 LC 電路（圖 2）。可以觀察到，固定座中的晶體可由一個串聯 RLC 電路表示，這表明晶體的串聯諧振頻率由模型分量 L_S 和 C_S 控制。并聯電容器代表固定座和相關接線的電容。并聯電容 C_P 與串聯電感 L_S 反應，產生并聯諧振頻率。在運行過程中，串聯諧振可控制諧振器運行。晶體的基頻范圍為千赫茲 (kHz) 到約 200 兆赫茲 (MHz)。

圖 2：石英晶體的等效電路模型。模型分量 L_S 和 C_S 可確定串聯諧振頻率，而 L_S、C_S 和 C_P 用于確定并聯諧振。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

另一種常用諧振器是表面聲波 (SAW) 諧振器（圖 3）。

圖 3：SAW 濾波器/諧振器使用安裝在壓電基底上的叉指式換能器，在換能器之間的間隙產生表面聲波，從而在輸出端產生頻率相關的響應。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

SAW 濾波器是一種頻率選擇性器件，該器件使用沿彈性基底表面傳播的表面聲波。如圖所示，利用基底上的導電通路所形成的叉指式換能器 (IDT) 生成并檢測 SAW。SAW 濾波器/諧振器的工作頻率范圍為 10 MHz 至 2 GHz。頻率取決于 IDT 元件的尺寸和基板材料的特性。SAW 器件的電路模型與石英晶體的模型相似。SAW 諧振器的制造成本低廉，可使用光刻法在小型封裝中制造。這些振蕩器稱為 SAW 振蕩器（簡稱“SO”）。

本文將要討論的最后一種諧振器技術是基于微機電系統 (MEMS) 的諧振器。MEMS 采用標準半導體制造工藝來生產微型機械元件。這些器件的尺寸從微米到毫米不等。類似于高頻音叉的諧振器設計用于在靜電激勵下振動。這些諧振器的芯片結構與可編程振蕩器/控制器集成電路結合在一起（圖 4）。

圖 4：MEMS 振蕩器模塊將 MEMS 機械結構與振蕩器/控制器 IC 結合在一個封裝內。（圖片來源：SiTime）

振蕩器/驅動器為 MEMS 結構提供激勵，并將其輸出饋送至小數 N 分頻鎖相環 (PLL)，并由該鎖相環將 MEMS 器件的輸出頻率乘以可編程因子“N”。一次性可編程 (OTP) 存儲器用于存儲模塊配置參數。溫度補償可通過調節 PLL 內的輸出頻率來實現。此外，也可對 PLL 進行編程，從而為振蕩器提供數字控制的頻率輸出。

MEMS 振蕩器的最大優點是不受機械沖擊和振動的影響，此優點是手機、相機和手表等移動應用中的一個重要因素。

振蕩器電路類型

模塊化振蕩器的電路拓撲結構已經發展了數十年，目前有許多可用技術。幾乎在所有情況下，電路的改進都是為了提高振蕩器輸出頻率的精度和穩定性。上一段中的示例包括非石英 SAW 和 MEMS 振蕩器。應用于石英振蕩器的技術也可應用于任何類型的振蕩器。這些振蕩器工作時的額定負載電容均為 15 皮法 (pF)。負載電容的變化會影響工作頻率。

這些拓撲結構的比較均基于裸英晶體振蕩器 (XO)（圖 5）。此示例是通過使用邏輯門來實現，并且包括變容二極管以允許調整。這些簡單的振蕩器所呈現的頻率穩定性約為 20 - 100 百萬分率 (ppm)。

圖 5：使用邏輯反相器實現的基本晶體振蕩器提供了一種功能，通過與石英晶體串聯的變容二極管來控制電壓。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

Abracon 的 ASV-10.000MHZ-LCS-T 是一種表面貼裝晶體時鐘振蕩器，具有 HCMOS 邏輯電平的數字輸出。這種振蕩器的主要優點是成本低，其頻率穩定性為 ±50 ppm，但該系列振蕩器中其他器件的穩定性規格為 20 至 100 ppm。頻率漂移的主要來源是溫度變化。另一個來源是晶體老化或頻率隨時間的變化。老化率與基本穩定性成正比。在這種振蕩器的情況下，老化率為每年 ±5 ppm。XO 適用于不需要較高的頻率穩定性的通用應用，包括微處理器的時鐘源等。

溫度補償晶體振蕩器（簡稱“TCXO”）增加了電路元件，以補償石英諧振器和放大器的溫度相關變化（圖 6）。

圖 6：由于石英諧振器和放大器對溫度敏感，因此 TCXO 添加了溫度傳感器和溫度補償網絡來校正頻率漂移。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

諸如熱敏電阻等溫度傳感器可用于產生校正電壓，該校正電壓通過適當的網絡施加到與晶體串聯的可變電壓變容二極管，從而實現頻率控制。這可通過改變石英晶體的容性負載來執行。溫度補償可以使頻率穩定性提高 20 倍或更多。

Abracon 的 ASTX-H12-10.000MHZ-T 是一款典型的 TCXO，具有 HCMOS 輸出電平和 ±2 ppm 的頻率穩定性規格，其成本大約是基本 XO 的三倍。

另一種穩定溫度的方法是將振蕩器模塊封裝在控溫箱中（圖 7），這種拓撲結構稱為箱控型晶體振蕩器 (OCXO)。

圖 7：通過將振蕩器封裝在控溫箱（溫度設為與晶體的頻率溫度曲線斜率為零時的溫度一致）內，OCXO 可使振蕩器的溫度保持穩定。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

晶體振蕩器封裝在控溫箱中。控溫箱的溫度設為晶體的頻率溫度曲線斜率為零時的數值，使得細小的溫度變化造成的振蕩器頻率變化極小或沒有變化。OCXO 可將振蕩器的穩定性提高一千倍以上。這種振蕩器適用于需要精確定時的應用，如導航系統或高速串行數據通信。

Connor-Winfield 的 DOC050F-010.0M 是一款具有 LVCMOS 輸出電平的 OCXO。這款振蕩器具有指定的 ±0.05 ppm 頻率穩定性。相對于基本晶體振蕩器，在性能得到改進的同時，具有更高的功耗（由于增加了控溫箱）、更大的尺寸和更高的成本（約為 XO 的 30 至 40 倍）。

上文討論的 MEMS 振蕩器就是數字控制振蕩器 (DCXO) 的示例。

SiTime 的 SIT3907AC-23-18NH-12.000000X 是一款基于 MEMS 的 DCXO，具有 LVCMOS 邏輯輸出和 10 ppm 頻率穩定性。這款 DCXO 可使用內部 PLL 對頻率變化進行編程，其“牽引”范圍為 ±25 至 ±1600 ppm。

微電腦控制的晶體振蕩器 (MCXO) 具有與 OCXO 相同的頻率穩定性，且封裝更小，功率要求更低。MCXO 使用兩種方法中來穩定其輸出頻率。第一種方法是讓源振蕩器以高于所需輸出的頻率運行，并使用脈沖刪除來實現所需的輸出頻率。第二種方法是以略低于所需輸出的頻率來運行內部源振蕩器，并將內部直接數字合成器 (DDS) 產生的校正頻率增加到源輸出頻率。

IQD Frequency Products 的 LFMCXO064078BULK 是一種兼容 HCMOS 的 MCXO，頻率穩定性為 0.05 ppm。該產品系列包括 10 至 50 MHz 之間關鍵固定頻率的振蕩器，其物理體積僅為 88 mm³，3.3 V 電壓下僅需 10 毫安 (mA) 電流，總功耗為 33 毫瓦 (mW)。

某些應用需要調整振蕩器的頻率，這一調整可通過數字方式或模擬控制來完成。模擬控制使用壓控晶體振蕩器 (VCXO) 來完成。圖 5 顯示了如何通過向與諧振器串聯的變容二極管施加電壓，并通過改變負載電容來改變其頻率的方式來調整振蕩器，這是 VCXO 的基本原理。

Integrated Device Technology Inc. 的 XLH53V010.000000I 便是 VCXO 的一個示例，可提供 HCMOS 輸出電平和 ±50 ppm 的頻率穩定性。VCXO 的牽引范圍顯示了通過改變控制電壓能夠實現的最大頻率偏移。該振蕩器的牽引范圍為 ±50 ppm。對于 10 MHz 的標稱輸出頻率，牽引范圍為 ±500 Hz。

諧振器部分描述的 SAW 振蕩器是另一種具有高可靠性特點的低成本振蕩器。EPSON 的 XG-1000CA 100.0000M-EBL3 就是 SO 的一個示例。這些器件可在固定頻率應用中使用，例如遙控發射器。它們具有良好的穩定性和抖動規格，但最大的好處是可靠性強。

針對應用選擇相符的振蕩器

一般而言，將振蕩器用作精準時基的應用都需要具有更高頻率穩定性的振蕩器。因此，GPS 相關應用都非常適合使用基于 OCXO 或 MCXO 的振蕩器。如果某個應用需要耐沖擊和耐振動，則 SO 振蕩器最合適。高速串行接口的時鐘需要低時序抖動。成本是所有設計都要考慮的一個因素，通常隨所提供的頻率穩定性程度而變化。根據所用的技術，其他諸如尺寸或功率要求等因素則取決于器件。這些因素可能需要在工程方面進行權衡。表 1 對本文所討論振蕩器的主要規格進行了比較，以幫助您關注各種振蕩器的特性和優勢。

備注：

1. 根據相位噪聲計算的估計值

2. 啟動/穩態

表 1：比較各種振蕩器所依據的典型參數。每個參數的選擇均依據設計要求和其他因素（如成本和設計時的可獲得性）。（表格來源：Digi-Key Electronics）

表中振蕩器的排列順序是依據頻率穩定性。請注意，本文中使用的是特定輸出頻率，所有這些振蕩器的各型號系列均可提供一定范圍的輸出頻率。

結論

充分了解振蕩器的結構和操作，可以幫助設計人員集中精力找到合適的振蕩器，從而滿足其應用需求。設計人員在為設計項目選擇振蕩器時，總是會涉及工程權衡，其中包括成本、功率、空間、穩定性和準確性；但目前可用的振蕩器種類繁多，可通過現成的解決方案來最大限度地減少這些權衡。