四方物流香港電話>模擬技術> > 正文

晶體振盪器的運行和設計挑戰

2021年09月30日 15:39 次閲讀

電路計時是眾多電子設備所需的關鍵功能,包括微控制器、USB以太網Wi-Fi藍牙接口,以及計算設備和外圍設備、醫療設備、測試測量設備、工業控制和自動化、物聯網 (IoT)、可穿戴設備和消費電子產品。通過設計晶體控制型振盪器來提供系統定時,起初似乎簡單,但將石英晶體與振盪器 IC 匹配時設計者必須考慮許多參數和設計要求。

有許多需要考慮是因素,具體包括晶體運動阻抗、諧振模式、激勵功率和振盪器負電阻。在電路佈局方面,設計者需要考慮 PC 板的寄生電容,在晶體周圍加入保護帶以及片上集成電容。最終設計需要緊湊可靠,元件數量最少,具有較低的均方根 (rms) 抖動,並在較寬的輸入電壓範圍內功耗最小。

簡單封裝的晶體振盪器 (SPXO) 是一種解決方案。這些連續電壓振盪器針對低功耗和低 RMS 抖動進行了優化並可在 1.60 V 和 3.60 V 之間的任何電壓下運行,這讓設計者能夠實現只需極少設計即可集成到系統中的解決方案。

本文將簡要討論一些在使用分立式石英晶體和定時 IC 順利設計定時電路時,必須滿足的重要性能要求和必須克服的設計挑戰。然後介紹 Abracon 的 SPXO 解決方案,説明設計人員如何利用這些器件來切實有效地滿足電子系統的定時需求。

晶體振盪器的運行和設計挑戰

功耗是小型電池供電型無線設備的一個重要考慮因素。許多類似設備基於功耗極低的片上系統 (SoC) 無線電和處理器,可以支持連續數年的電池壽命。此外,由於電池可能是系統中最昂貴的部件,因此儘量減少電池的尺寸對控制設備成本非常重要。也就是説,待機電流往往是小型無線系統中最重要的電池壽命考慮因素,而待機電流往往由時鐘振盪器主導。因此,至關重要好的一點就是儘量減少振盪器的電流消耗。

遺憾的是,設計低功耗振盪器可能是一個挑戰。節省能源的一個方法是通過進入“禁用”狀態並在需要時啓動振盪器來儘量減少待機電流。然而,要求晶體振盪器快速、可靠地啓動並非易事。設計者需要保證振盪器在待機時處於低電流狀態,在所有工作和環境條件下具有可靠的啓動特性。

Pierce 振盪器的配置常見於低功耗無線 SoC 中(圖 1)。Pierce 振盪器基於晶體 (X) 和負載電容(C1 和 C2)構建,由一個使用內部反饋電阻的反相放大器包圍。在合適的條件下,當放大器的輸出被反饋到輸入端時,會產生負電阻併發生振盪。

article-2021august-how-to-simply-and-cost-fig1.jpg?la=en&ts=558e288b-d8ce-4ad3-99ea-77e8453ac9af

圖 1:圍繞晶體 (X) 和負載電容 C1 和 C2 構建的基本 Pierce 振盪器配置。(圖片來源:Abracon)

晶體結構複雜;本討論只關於在振盪器中運行的晶體的頂層和簡化結構。

閉環增益餘量 Gm 可以作為一個品質因數 (FOM) 來描述振盪器相對於各種損耗的可靠性。閉環增益餘量也被稱為振盪裕度 (OA)。OA 低於 5 時會導致生產吞吐量低以及與温度相關的啓動問題。OA 值等於或高於 20 的設計穩健耐用,在設計工作温度範圍內運行可靠,並且不同生產批次對晶體和 SoC 性能特徵的影響極小。

為了測量振盪器的 OA,可在電路中添加可變電阻 Ra(圖 2)。增加 Ra 值,直到振盪器無法啓動。這就是用來確定 OA 值的方法,如下所示:

article-2021august-how-to-simply-and-cost-equation1.jpg?la=en&ts=76f3cd23-2693-4553-b191-16d2124b6f3b

等式 1

其中:

Rn 是負電阻

Re 是等效串聯電阻 (ESR)。

article-2021august-how-to-simply-and-cost-equation2.jpg?la=en&ts=ee258ca8-af38-4a5b-a6af-efcb5944f214

等式 2

article-2021august-how-to-simply-and-cost-equation3.jpg?la=en&ts=f01a4840-52fa-4382-b390-d4fa59064805

等式 3

其中,負載電容 CL 的計算方法如下:

article-2021august-how-to-simply-and-cost-equation4.jpg?la=en&ts=0bb902b6-cde4-4620-8953-8ad76bc8c78d

等式 4

其中 Cs 是電路的可變電容器,電容值通常在 3.0 至 5.0 pF 之間。

article-2021august-how-to-simply-and-cost-fig2.jpg?la=en&ts=525bd27c-fe54-4990-9b99-b4223b0e3b9d

圖 2:顯示了擴展晶體模型(中間方框)和用於測量振盪裕度的可調電阻器 (Ra)。(圖片來源:Abracon)

OA 取決於 ESR (Re),而 ESR 則取決於石英晶體參數 Rm 和負載電容 CL。對於低功耗振盪器,如低功耗無線設備中使用的振盪器,Rm 和 CL 對 OA 的影響會增大。測量 OA 比較耗時,可能會延長開發過程。因此,該項工作可能被忽視,從而導致系統或設備投入生產時出現性能問題。

此外,通過設置高 OA 來確保振盪器可靠運行,會導致其他問題。例如,OA 越高振盪器電路性能越高,但可能會忽略由於晶體造成的功率損失。這種損耗可能是一個重要因素。再來看圖 2,晶體運動電阻 Rm 在電流週期性流經電阻時造成功率耗散。當 CL 較大時,會增加電流和損耗。因此,設計者需要在晶體的功率損耗和合理的 OA 值之間取得平衡。

避免抖動

設計石英晶體振盪器時,瞭解和減少抖動是很重要的。抖動有兩種類型,通常都以均方根值來衡量:

週期間 抖動:也叫相位抖動,是指幾個被測量的振盪週期之間的最大時間差,通常至少測量 10 個週期。

週期 抖動:這是一個時鐘沿的最大變化,需測量每個週期,而非多個週期。

石英晶體振盪器的主要抖動源包括電源噪聲、信號頻率的整數次諧波、不當的負載和端接條件、放大器噪聲和某些電路配置。根據不同的來源,可採用不同的方法儘量減少抖動。

使用旁路電容、片式磁珠或電阻電容 (RC) 濾波器來控制電源噪聲。

在要求極低抖動的關鍵應用中,建立一種控制諧波的方法至關重要(不再本文探討範圍)。

通過優化負載和端接條件,減少反射回輸出的功率。

避免使用包含鎖相環、乘法器或可編程功能的設計,因為它們往往會增加抖動。

連續電壓晶體振盪器

使用 Abracon 的 ASADV、ASDDV 和 ASEDV SPXO,有利於設計偏置電壓在 1.60 至3.60 V 之間變化的系統(圖 3)。SPXO 系列涵蓋不同的頻率範圍;ASADV 器件的頻率為 1.25 MHz 至 100 MHz,ASDDV 和 ASEDV 器件的頻率為 1MHz 至 160MHz。該系列均符合 RoHS/RoHS II 標準,採用密封式陶瓷表面貼裝器件 (SMD) 封裝。在 -40°C 至 +85°C 的工作温度範圍內,該系列頻率穩定性為 ±25ppm。

article-2021august-how-to-simply-and-cost-fig3.jpg?la=en&ts=61dae758-e74d-4920-ac07-bf82a875f8b1

圖 3:ASADV(如圖所示)、ASDDV 和 ASEDV SPXO 採用密封式陶瓷封裝,工作温度範圍為 -40℃ 至 +85℃。(圖片來源:Abracon)

ASADV 的尺寸為 2.0 x 1.6 x 0.8 mm,ASDDV 的尺寸為 2.5 x 2.0 x 0.95 mm,ASEDV 尺寸為 3.2 x 2.5 x 1.2 mm。這三個系列可在各種常見的工作温度範圍內工作,提供多種穩定性選擇以及兼容 CMOS/HCMOS/LVCMOS 的輸出格式。

重要的是,ASADV、ASDVD 和 ASEDV 系列針對低電流運行進行了優化(圖 4)。輸出啓用/禁用功能在禁用時電流降低至只有 10 μA。這些器件的最大啓動時間為 10 ms。

article-2021august-how-to-simply-and-cost-fig4.jpg?la=en&ts=80841228-cc1e-4e2d-a2d0-f9d630116134

圖 4:ASEDV 的電流消耗與電源電壓的關係,這是該 SPXO 家族器件的典型性能(在 25℃±3℃ 下測量)。(圖片來源:Abracon)

所有三個系列的 SPXO 都具有特別低的電流消耗。對於 ASADV,在 25°C 温度下對 15 pF 負載進行測量時,最大電流範圍為從 1.25 MHz 和 1.8 V 電源電壓下的 1.0 mA,到 81 MHz 和 3.3 V 電源電壓下的 14.5 mA。對於 ASDDV 和 ASEDV,最大電流範圍為從 1 MHz 和 1.8 V 電源電壓下的 1.0 mA,到 157 MHz 和 3.3 V 電源電壓下的 19 mA。

這些器件可以驅動多個負載,具有良好的電磁干擾 (EMI) 性能和低抖動性能。這些器件的均方根相位抖動 <1.0 ps,最大週期抖動為 7.0 ps。

SPXO 在整個工作温度範圍內也具有良好的頻率穩定性(圖 5)。在許多應用中,這些振盪器可以作為即插即用型解決方案,不需要任何設計工作。有了這些振盪器,無需選擇偏置特定性振盪器,並消除了與偏置有關的頻率變化。

article-2021august-how-to-simply-and-cost-fig5.jpg?la=en&ts=e7ea78b8-4155-4810-83bd-330fb488ad36

圖 5:這些 SPXO 在整個工作温度範圍內具有良好的頻率穩定性。該圖是 ASEDV 系列的典型圖。(圖片來源:Abracon)

最後,當衝擊和振動不是關鍵考慮因素時,ASADV、ASDVD 和 ASEDV 連續電壓表面貼裝晶體振盪器可用於微機電系統 (MEMS) 振盪器的低成本替代品。

總結

設計者需要精確和可靠的振盪器,以便在廣泛的應用和工作温度範圍內提供穩定的定時。分立式晶體控制振盪器可以滿足所需的性能特徵,但在技術上很難做到有效地使用晶體進行設計,並耗時並造成不必要的成本。此外,在外形尺寸方面也不是最優選擇。

如圖所示,設計者可以使用低功耗集成 SPXO。這種 SPXO 形成了即用型計時解決方案,在很寬的工作温度範圍內實現了優良的的頻率穩定性。使用 SPXO,設計者可以減少元件數量,縮小解決方案尺寸,降低裝配成本並提高可靠性。
       fqj

下載發燒友APP

打造屬於您的人脈電子圈

關注四方物流香港電話微信

有趣有料的資訊及技術乾貨

關注發燒友課堂

鎖定最新課程活動及技術直播

四方物流香港電話觀察

一線報道 · 深度觀察 · 最新資訊
收藏 人收藏
分享:

評論

相關推薦

自學pcb設計該怎麼學

怎麼樣才能學好電路PCB板設計,自學pcb設計該怎麼學?這些都是PCB初學者們需要解決的問題,PCB....
發表於 2021-10-03 18:20 59次閲讀
自學pcb設計該怎麼學

半導體工藝製程中常用的工序

半導體一般是指常温下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。半導體的應用非常廣泛,在集成電路、消費電子、....
發表於 2021-10-03 18:14 69次閲讀
半導體工藝製程中常用的工序

pcb雙層板佈線技巧 雙層板佈線步驟

PCB是很重要的電子部件,PCB從出現到現在變得越來越複雜,設計也比較難,所以佈線的技巧非常重要,那....
發表於 2021-10-03 17:57 21次閲讀
pcb雙層板佈線技巧 雙層板佈線步驟

集成電路分為哪幾類 集成電路分類介紹

一些電阻、電容、三極管等器件按照電路連接起來,然後用電路封裝在一起,形成一個獨立模塊讓其他電路使用,....
發表於 2021-10-03 17:44 39次閲讀
集成電路分為哪幾類 集成電路分類介紹

pcb電路板的基本組成部分

PCB也被稱為印刷電路板,有着百年的歷史,許多電子設備中都離不開它,那麼pcb電路板的基本組成部分有....
發表於 2021-10-03 17:31 22次閲讀
pcb電路板的基本組成部分

pcb製作的基本工藝流程

PCB的中文名稱為印製電路板,也被稱為印刷線路板,是重要的電子部件,那麼pcb製作的基本工藝流程是什....
發表於 2021-10-03 17:30 25次閲讀
pcb製作的基本工藝流程

pcb上市公司排名一覽

pcb是電子元器件電氣連接的載體,是電子工業的重要部件之一。在許多電子設備中都有pcb的身影,PCB....
發表於 2021-10-03 17:22 37次閲讀
pcb上市公司排名一覽

原理圖元器件

麻煩問一下電路原理中的這個元件是是嗎? ...
發表於 2021-10-03 11:54 107次閲讀
原理圖元器件

脈衝發生器的分類及特點

脈衝發生器是用來發生信號的系統,產生所需參數的電測試信號儀器。按其信號波形分為四大類。 正弦信號發生....
發表於 2021-10-02 17:59 84次閲讀
脈衝發生器的分類及特點

請問在此電路圖中,j1.j2.j3原件在Proteus8的原件庫中叫什麼,如果沒有應該用什麼來代替

發表於 2021-10-01 21:25 3次閲讀
請問在此電路圖中,j1.j2.j3原件在Proteus8的原件庫中叫什麼,如果沒有應該用什麼來代替

分頻器產生精確的 455kHz 方波信號

這裏的電路是我在開發 RF 系統時設計的帶有不尋常分頻器的振盪器。我需要使用盡可能少的組件的穩定且準....
發表於 2021-09-30 17:48 749次閲讀
分頻器產生精確的 455kHz 方波信號

怎樣去使用集成運放中的電流源電路呢

集成運放的工作原理是什麼? 集成運放的特點有哪些? 怎樣去使用集成運放中的電流源電路呢? ...
發表於 2021-09-30 08:35 0次閲讀
怎樣去使用集成運放中的電流源電路呢

如何用單片機去高精度地測量電流電路

嵌入式(單片機)開發測量電流的需求有哪些? 如何用單片機去高精度地測量電流電路? ...
發表於 2021-09-30 06:28 0次閲讀
如何用單片機去高精度地測量電流電路

DC-DC電路中的電流流向是怎樣的

DC-DC電源是什麼? DC-DC電路中的電流流向是怎樣的? PCB佈線中接地的方法是什麼? ...
發表於 2021-09-30 06:26 0次閲讀
DC-DC電路中的電流流向是怎樣的

一文讀懂恆流源電路是什麼

恆流源電路是什麼? 基本電流源電路包括哪些? ...
發表於 2021-09-29 09:23 0次閲讀
一文讀懂恆流源電路是什麼

Arduino功率計電路是如何工作的

怎樣去設計Arduino功率計的完整電路? Arduino功率計電路是如何工作的? ...
發表於 2021-09-29 08:46 0次閲讀
Arduino功率計電路是如何工作的

怎樣去測量手機電源電路的總電流

電流法是什麼? 手機開機電流有多少才是正常的? ...
發表於 2021-09-29 07:51 0次閲讀
怎樣去測量手機電源電路的總電流

怎樣去解決電路的電流採集問題

電路電流採集碰到哪些問題?怎樣去解決電路的電流採集問題?...
發表於 2021-09-29 07:29 0次閲讀
怎樣去解決電路的電流採集問題

什麼是網孔電流法

什麼是網孔電流法? 網孔電流為什麼只適用於平面電路? ...
發表於 2021-09-29 06:36 0次閲讀
什麼是網孔電流法

隨時隨地觀測信號調試電路的多功能袖珍儀器

全球最著名的眾籌網站Kickstarter上線一款叫Zoolark(翻譯過來叫梅林雀)的多功能袖珍儀....
發表於 2021-09-26 14:37 243次閲讀
隨時隨地觀測信號調試電路的多功能袖珍儀器

碳化硅無線電電路能否承受地獄般的高温

新冠疫情蔓延的2020年夏季鮮有好事。其中最令人印象深刻的事件之一是美國宇航員乘坐太空探索技術公司(....
發表於 2021-09-26 09:45 239次閲讀
碳化硅無線電電路能否承受地獄般的高温

運算放大器的代表性參數詳解

運算放大器中有表示特性的代表性參數。 放大率和電壓增益《放大率和電壓增益》 若給放大電路的輸入增加電....
發表於 2021-09-24 11:05 259次閲讀
運算放大器的代表性參數詳解

典型的電路保護方法及關鍵器件

電路保護技術的未來 相信很多人都有這樣一個感覺:現在的U盤比前幾年的產品要“結實”多了,即使頻繁熱插....
發表於 2021-09-23 16:45 264次閲讀
典型的電路保護方法及關鍵器件

繼電器驅動電路的可靠性設計分析

在温度-30℃到+85℃、供電電源9V-16V範圍條件下,保證外部繼電器能正常作動,且不發生負載能力....
發表於 2021-09-23 15:01 2004次閲讀
繼電器驅動電路的可靠性設計分析

詳細講解幾種經典的運放電路

何為運放電路? 由運算放大器組成的電路,簡稱為運放電路。這些電路可以説是五花八門,是我們學習模擬電子....
發表於 2021-09-23 11:18 486次閲讀
詳細講解幾種經典的運放電路

如何處理orcad中的十字交叉線

orcad中十字交叉線應該怎麼處理呢? 答:在繪製電路圖的過程中,由於電路的複雜情況,會出現一個網絡....
發表於 2021-09-23 10:17 2074次閲讀
如何處理orcad中的十字交叉線

新能源汽車中電流傳感器電路講解

前面我們講了,電流傳感器的Ip電流為0V時,電流傳感器Vout輸出2.5V;當Ip等於+750A時,....
發表於 2021-09-22 15:03 325次閲讀
新能源汽車中電流傳感器電路講解

為什麼低通濾波器也能變成積分器?

原文來自公眾號:工程師看海 在數據採集領域,RC低通濾波器是最常見的一種信號調理電路,用於抑制高頻幹....
發表於 2021-09-22 09:24 2278次閲讀
為什麼低通濾波器也能變成積分器?

使用替代定理通過SPICE推導出戴維寧電阻值

Thevenin 和 Norton 等效電路 [1-3] 是電路設計人員和研究人員的寶貴分析工具。如....
發表於 2021-09-17 11:01 716次閲讀
使用替代定理通過SPICE推導出戴維寧電阻值

幾種低相位噪聲信號生成方法

目前對帶寬的需求呈爆炸式增長,從而將載波頻率推高至幾十千兆赫。在這些高頻率下,客户可使用更高的帶寬,....
發表於 2021-09-16 11:12 202次閲讀
幾種低相位噪聲信號生成方法

Solution Circuit的PFC仿真電路

Solution Circuit的PFC仿真電路 首先簡單介紹一下如何訪問“ROHM Solutio....
發表於 2021-09-16 09:43 228次閲讀
Solution Circuit的PFC仿真電路

優化步進電機控制電路需要考慮哪些問題

在電機行業不斷進步的同時,用户的使用要求也在不斷提高,所以對廠家在電機設計及生產方面的要求日益嚴格。....
發表於 2021-09-15 09:13 38次閲讀
優化步進電機控制電路需要考慮哪些問題

DC-DC中PCB設計的layout

DC-DC的電路比LDO會複雜很多,噪聲也更大,佈局和layout要求更高,layout的好壞直接影....
發表於 2021-09-13 14:38 2025次閲讀
DC-DC中PCB設計的layout

計算機為什麼要使用補碼

人類在製造出晶體管後,利用晶體管制造出了與非門,然後又利用與非門製造出了加法器。加法器解決了加法運算....
發表於 2021-09-12 16:06 491次閲讀
計算機為什麼要使用補碼

怎麼樣才能學好數字電路

“數電”如此基礎的一門課程,但真正掌握卻不那麼容易,過去幾年通過跟幾百位來自不同學校、不同年級的硬禾....
發表於 2021-09-12 15:00 517次閲讀
怎麼樣才能學好數字電路

無線通訊渦輪流量設計方案

無線渦輪流量計主體採用單片機作為處理和控制核心,連接脈衝信號處理電路、RS-232通信、存儲器、無線....
發表於 2021-09-10 15:24 40次閲讀
無線通訊渦輪流量設計方案

思睿達主推EMI特性良好的CR6889B與XX8...

SOT23-6 封裝的副邊PWM 反激功率開關; ● 內置軟啓動,減小MOSFET 的應力,斜....
發表於 2021-09-08 15:47 3730次閲讀
思睿達主推EMI特性良好的CR6889B與XX8...

關於變壓器的一些小知識

變壓器是利用電磁感應原理來進行變換交流電壓的一種器件,其主要構件包括初級線圈、次級線圈、鐵芯。 在電....
發表於 2021-09-05 16:07 704次閲讀
關於變壓器的一些小知識

帶開關電位器的調節方法

帶開關電位器是一個可連續調節的電阻器,當調節電位器的轉柄或滑柄動觸點在電阻體上滑動時,電位器的輸出端....
發表於 2021-09-03 17:59 508次閲讀
帶開關電位器的調節方法

怎麼判斷開關電源變壓器的好壞

開關電源變壓器是通過開關管的電源變壓器,在電路中有着電壓的變換功能和絕緣隔離與功率傳送功能。一般用在....
發表於 2021-09-03 16:59 287次閲讀
怎麼判斷開關電源變壓器的好壞

反激電源中如何抑制振鈴

反激電源作為最常用的拓撲之一,設計好變壓器和MOS這兩個器件就很重要,變壓器的漏感會帶來原邊振鈴,其....
發表於 2021-09-03 09:57 323次閲讀
反激電源中如何抑制振鈴

新能源汽車開環電流傳感器講解

本章重點講解開環電流傳感器: 原理框架圖 這款霍爾電流傳感器的優勢: 1、電流採樣精度比較高 2、線....
發表於 2021-09-02 11:15 1691次閲讀
新能源汽車開環電流傳感器講解

全波整流和半波整流之間有哪些區別

半波整流電路是一種利用整流元件單向除去半周、剩下半周來導通整流的常見電路。 全波整流電路在半個週期內....
發表於 2021-09-01 17:41 589次閲讀
全波整流和半波整流之間有哪些區別

電路板怎麼看電路走向

電路板也能夠稱為印刷線路板或印刷電路板,電路板的作用是讓電路迷你化、直觀化,並且對固定電路的批量生產....
發表於 2021-08-30 17:29 2605次閲讀
電路板怎麼看電路走向

光電開關和接近開關兩者之間有什麼區別

光電開關是利用被檢測物對光束的遮擋或反射,由同步迴路選通電路,從而檢測物體有無的;接近開關用於工業自....
發表於 2021-08-30 16:03 471次閲讀
光電開關和接近開關兩者之間有什麼區別

電路板一般什麼元件容易壞

在電路板中,有時候會發生故障,最容易發生的故障就是元件損壞,並且有一些元件的故障率高,經常需要更換,....
發表於 2021-08-30 11:32 584次閲讀
電路板一般什麼元件容易壞