VCXO壓控振蕩器發(fā)展歷史
電壓控制晶振振蕩器（VCXO）
電壓控制晶振振蕩器（VCXO），是通過施加外部
控制電壓使振蕩頻率可變或是可以調(diào)制的石英晶振振蕩器。
在典型的VCXO中，通常是通過調(diào)諧電壓改變變?nèi)荻艿碾娙萘縼?ldquo;牽引”石英晶振振子頻率的。
VCXO允許頻率控制范圍比較寬，實(shí)際的牽引度范圍約為&plun;200ppm甚至更大。
如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶振振子所能實(shí)現(xiàn)的頻率還要高，
可采用倍頻方案。擴(kuò)展調(diào)諧范圍的另一個(gè)方法是
將晶振振蕩器的輸出信號與VCXO的輸出信號混頻。
與單一的振蕩器相比，這種外差式的兩個(gè)振蕩器信號調(diào)諧范圍有明顯擴(kuò)展
在移動(dòng)通信基地站中作為高基準(zhǔn)信號源使用的VCXO代表性
產(chǎn)品是日本精工·愛普生公司生產(chǎn)的分析圖
VG－2320SC。這種采用與IC同樣塑封的4引腳器件，
內(nèi)裝單獨(dú)開發(fā)的IC，器件尺寸為12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19?。
其標(biāo)準(zhǔn)頻率為12～20MHz，電源電壓為3.0&plun;0.3V，工作電流不大于2mA，
在－20～＋75℃范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度≤&plun;1.5ppm，
頻率可變范圍是&plun;20～&plun;35ppm，啟動(dòng)振蕩時(shí)間小于4ms。
金石集團(tuán)生產(chǎn)的VCXO，頻率覆蓋范圍為10～360MHz，
頻率牽引度從&plun;60ppm到&plun;100ppm。
VCXO封裝發(fā)展趨勢是朝D方向發(fā)展，
并且在電源電壓方面盡可能采用3.3V。
日本東洋通信機(jī)生產(chǎn)的TCO－947系列片式VCXO
早在90年代中期前就應(yīng)用于汽車電話系統(tǒng)。
該系列VCXO的工作頻率點(diǎn)是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，
頻率溫度特性&plun;2.5ppm/－30～＋75℃，頻率電壓特性&plun;0.3ppm/5V&plun;5％，
老化特性&plun;1ppm/年，內(nèi)部采用D/C，并采用激光束和汽相點(diǎn)焊方式封裝，
高度為4mm。日本富士電氣化學(xué)公司開發(fā)的個(gè)人手持電話系統(tǒng)（PHS）
等移動(dòng)通信用VCXO，共有兩大類六個(gè)系列，為適應(yīng)T要求，
采用D封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、
Champion技術(shù)公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，
均是表面貼裝器件，電源電壓為3.3V或5V，
可覆蓋的頻率范圍或頻率分別為32～120MHz、155MHz、2～40MHz和1－50MHz，
牽引度從&plun;25ppm到&plun;150ppm不等。MF電子公司生產(chǎn)的T－VCXO系列產(chǎn)品尺寸為5mm×7mm，
曾被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是外形尺寸小的產(chǎn)品，但這個(gè)小型化的記錄很快被。
目前新推出的雙頻終端機(jī)用VCXO尺寸為5.8mm×4.8mm，
并且有的內(nèi)裝2只VCXO。Raltron電子公司生產(chǎn)的VX－8000系
列表面貼裝VCXO，采用引線封裝時(shí)高度為0.185英寸，
采用扁平封裝時(shí)為0.15英寸，工作頻率可在1～160MHz內(nèi)選擇，
標(biāo)準(zhǔn)頻率調(diào)整范圍為&plun;100ppm，線性度&plun;10％，
穩(wěn)定度&plun;25ppm/0～70℃，老化率為&plun;2ppm/年，
輸出負(fù)載達(dá)10個(gè)LSTTL（單價(jià)達(dá)10美元以上）。
于1998年7月上市的單價(jià)2000日元的UCV4系列壓控振蕩器（VCO），
面向移動(dòng)通信系統(tǒng)（G）和個(gè)人數(shù)字蜂窩電話（PDC），
可用頻率范圍為650～1700MHz，電源電壓為2.2～3.3V，
尺寸為4.8mm×5.5mm×1.9mm，體積為0.05?，重量0.12g。
日本精工·愛普生公司利用ST切型晶片制作的聲表面波（SAW）諧振器（Q≌2000），
型號為FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，
振蕩頻率范圍達(dá)250～500MHz，頻率初始偏差為&plun;25～100ppm，
在－20～60℃范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度是&plun;27ppm，老化率為&plun;10ppm/年。
利用FS－555組成的壓控SAW振蕩器
欲擴(kuò)大頻率調(diào)節(jié)范圍，可串聯(lián)電感Lo的電感量。
由于SAW諧振器的頻率可達(dá)2GHz以上，為壓控SAW振蕩器（VCSO）的高頻化提供了一條重要途徑。
很多采購在購買晶振的時(shí)候都會(huì)問到，晶振起什么作用。石英晶振和到陶瓷晶振有什么區(qū)別，那個(gè)質(zhì)量更好等等。
晶振在應(yīng)用具體起到的作用，微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振器槽路；RC（電阻、電容）振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置。
晶振適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器。基于晶振與陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供高的初始和較低的溫度系數(shù)。RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移（甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在條件下運(yùn)行。常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的。硅振蕩
晶振器的要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)摹?br /> 選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。陶瓷晶振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA ~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)不到2mA的電流。在特定的應(yīng)用場合優(yōu)化時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素：、成本、功耗以及環(huán)境需求。
硅機(jī)電振蕩器，可編程晶振的出現(xiàn)讓不少石英晶體生產(chǎn)廠家震撼和恐懼，因?yàn)檫@款可編程的晶體出現(xiàn)會(huì)直接威脅到石英晶振生產(chǎn)商的飯碗。但是以千赫石英晶體表晶為主要生產(chǎn)的廠家到不是很擔(dān)心，因?yàn)槟壳暗墓铏C(jī)電晶體替代技術(shù)還沒法把時(shí)鐘晶體表晶系列給替代，因此以千赫為主要生產(chǎn)的工廠目前不擔(dān)心。
4月20日，美國初創(chuàng)公司SiTime在北京宣布，推出可代替?zhèn)鹘y(tǒng)石英振蕩器的SiT11xx系列MEMS First振蕩器(硅機(jī)電振蕩器)。SiT11xx系列提供1MHz～125MHz輸出頻率，適合數(shù)瑪相機(jī)、游戲機(jī)、機(jī)頂盒、MP3播放器等各類消費(fèi)電子產(chǎn)品，汽車電子及工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。SiTime的振蕩器在-40℃～85℃溫度變化范圍內(nèi)提供50ppm～100ppm的頻率，而操作電壓在3.3V、2.5V或1.8V。SiTime目前已經(jīng)可以提供樣片，預(yù)計(jì)9月量產(chǎn)出貨。SiTime公司還宣布和香港先思行有限公司( Concept Limited)簽定中國大陸及香港地區(qū)銷售代理權(quán)。
在很多數(shù)字集成電路中都要用到實(shí)時(shí)時(shí)鐘( RTC, Real Time Clock ) , 而RTC工作計(jì)時(shí)正確的關(guān)鍵部分就是32 .768KHZ的晶體振蕩器電路. 本文先容了集成32.768KHZ晶體振蕩電路的設(shè)計(jì)方法及留意事項(xiàng), 并用Matlab驗(yàn)證了理論分析, 用Cadence Spectre 了電路.
1 電路結(jié)構(gòu)
如圖1 所示是晶振的整體電路.R1為反相器invl提供偏置,使其中的MOS管工作在飽和區(qū)以獲得較大的增益;C1,C2和雜散電容一起構(gòu)成晶體的電容負(fù)載, 同時(shí)它們和反相器invl一起可以等效為一負(fù)阻, 為晶體提供其振蕩所需要的能量; R2用來降低對晶體的驅(qū)動(dòng)能量, 以晶體振壞或出現(xiàn)異常; 反相器inv2對invl的輸出波形整形并驅(qū)動(dòng)負(fù)載.
圖2 所示為晶體的等效電路,Cp是晶體兩個(gè)引腳間的電容, 對于不同的晶體, 其值在2~ 5pf之間; Rs是晶體的等效串連電阻, 其值表示晶體的損失;Cs和Ls分別為晶體的等效串連電容和電感, 這兩個(gè)值決定了晶體的振蕩頻率.
2 電路原理分析
圖1 所示的晶振電路假如滿足巴克豪林準(zhǔn)則就可以振蕩. 從負(fù)阻的角度來分析電路的工作原理.提供負(fù)阻的電路如圖3(a)所示, 由反相放大器和表晶兩真?zhèn)€負(fù)載電容構(gòu)成.
M1可以替換圖1中的invl,忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)、體效應(yīng)和晶體管的寄生電容. M1的漏電流即是(-I=/C1s)gm ,所
因此
對于S=jw加, 此阻由一個(gè)即是-gm/(ClCZw2)的負(fù)電阻串連C1 和C2組成(圖3(b))
如圖4 所示, 將表晶和放大器的偏置電阻置于M1 的柵漏兩端就構(gòu)成了前面所述的晶振電路,它可以等效為右邊的串連諧振電路, 假如要維持電路振蕩,須Zc的實(shí)部也就是負(fù)阻部分的︱Rosc︱≥Rso其中
這就對反相放大器的gm的大小提出了要求. 分析了gm,的大值和小值, gm只有取中間值, 得到的等效負(fù)阻的盡對值才大于表晶的串聯(lián)電阻, 才能夠維持晶體的振蕩.
設(shè)計(jì)反相器時(shí), 對gm的取值應(yīng)該加以留意. 尤其是對32.768KHZ的晶振, 由于其Rs值很大,gm設(shè)置不當(dāng)很輕易導(dǎo)致晶體不振蕩. 在設(shè)置了合適的電路參數(shù)值的情況下, 使用Matlab畫出(3)式中Zc相對于gm的軌跡圖,如圖5所示,橫軸是Zc的實(shí)部( 電阻部分),縱軸是Zc的虛部(電容部分). 這里使用晶體Rs值為50kΩ.圖中豎線對應(yīng)實(shí)軸上的值為50kΩ,也就是說電路可以振蕩時(shí)gm須落在豎線左邊的半圓上. 豎線與半圓的兩個(gè)交點(diǎn)分別是gm的值和小值.
3 電路設(shè)計(jì)及
實(shí)際電路按照圖1搭建,除了晶體和C1 ,C2的固定部分之外的其它元器件都被集成在電路內(nèi)部, 器件模型選用的0.25um模型.在設(shè)置電路參數(shù)時(shí)有幾點(diǎn)是須留意的.
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晶振在應(yīng)用具體起到的作用，微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；RC（電阻、電容）振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置
晶振適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器?；诰д衽c陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供高的初始和較低的溫度系數(shù)。RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移（甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在條件下運(yùn)行。常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的。硅振蕩
晶振器的要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)摹?br />
選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA ~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)不到2mA的電流。在特定的應(yīng)用場合優(yōu)化時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素：、成本、功耗以及環(huán)境需求。
電壓控制晶振振蕩器（VCXO）
電壓控制晶振振蕩器（VCXO），是通過施加外部
控制電壓使振蕩頻率可變或是可以調(diào)制的石英晶振振蕩器。
在典型的VCXO中，通常是通過調(diào)諧電壓改變變?nèi)荻艿碾娙萘縼?ldquo;牽引”石英晶振振子頻率的。
VCXO允許頻率控制范圍比較寬，實(shí)際的牽引度范圍約為&plun;200ppm甚至更大。
如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶振振子所能實(shí)現(xiàn)的頻率還要高，
可采用倍頻方案。擴(kuò)展調(diào)諧范圍的另一個(gè)方法是
將晶振振蕩器的輸出信號與VCXO的輸出信號混頻。
與單一的振蕩器相比，這種外差式的兩個(gè)振蕩器信號調(diào)諧范圍有明顯擴(kuò)展
在移動(dòng)通信基地站中作為高基準(zhǔn)信號源使用的VCXO代表性
產(chǎn)品是日本精工·愛普生公司生產(chǎn)的分析圖
VG－2320SC。這種采用與IC同樣塑封的4引腳器件，
內(nèi)裝單獨(dú)開發(fā)的IC，器件尺寸為12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19?。
其標(biāo)準(zhǔn)頻率為12～20MHz，電源電壓為3.0&plun;0.3V，工作電流不大于2mA，
在－20～＋75℃范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度≤&plun;1.5ppm，
頻率可變范圍是&plun;20～&plun;35ppm，啟動(dòng)振蕩時(shí)間小于4ms。
金石集團(tuán)生產(chǎn)的VCXO，頻率覆蓋范圍為10～360MHz，
頻率牽引度從&plun;60ppm到&plun;100ppm。
VCXO封裝發(fā)展趨勢是朝D方向發(fā)展，
并且在電源電壓方面盡可能采用3.3V。
日本東洋通信機(jī)生產(chǎn)的TCO－947系列片式VCXO
早在90年代中期前就應(yīng)用于汽車電話系統(tǒng)。
該系列VCXO的工作頻率點(diǎn)是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，
頻率溫度特性&plun;2.5ppm/－30～＋75℃，頻率電壓特性&plun;0.3ppm/5V&plun;5％，
老化特性&plun;1ppm/年，內(nèi)部采用D/C，并采用激光束和汽相點(diǎn)焊方式封裝，
高度為4mm。日本富士電氣化學(xué)公司開發(fā)的個(gè)人手持電話系統(tǒng)（PHS）
等移動(dòng)通信用VCXO，共有兩大類六個(gè)系列，為適應(yīng)T要求，
采用D封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、
Champion技術(shù)公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，
均是表面貼裝器件，電源電壓為3.3V或5V，
可覆蓋的頻率范圍或頻率分別為32～120MHz、155MHz、2～40MHz和1－50MHz，
牽引度從&plun;25ppm到&plun;150ppm不等。MF電子公司生產(chǎn)的T－VCXO系列產(chǎn)品尺寸為5mm×7mm，
曾被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是外形尺寸小的產(chǎn)品，但這個(gè)小型化的記錄很快被。
目前新推出的雙頻終端機(jī)用VCXO尺寸為5.8mm×4.8mm，
并且有的內(nèi)裝2只VCXO。Raltron電子公司生產(chǎn)的VX－8000系
列表面貼裝VCXO，采用引線封裝時(shí)高度為0.185英寸，
采用扁平封裝時(shí)為0.15英寸，工作頻率可在1～160MHz內(nèi)選擇，
標(biāo)準(zhǔn)頻率調(diào)整范圍為&plun;100ppm，線性度&plun;10％，
穩(wěn)定度&plun;25ppm/0～70℃，老化率為&plun;2ppm/年，
輸出負(fù)載達(dá)10個(gè)LSTTL（單價(jià)達(dá)10美元以上）。
于1998年7月上市的單價(jià)2000日元的UCV4系列壓控振蕩器（VCO），
面向移動(dòng)通信系統(tǒng)（G）和個(gè)人數(shù)字蜂窩電話（PDC），
可用頻率范圍為650～1700MHz，電源電壓為2.2～3.3V，
尺寸為4.8mm×5.5mm×1.9mm，體積為0.05?，重量0.12g。
日本精工·愛普生公司利用ST切型晶片制作的聲表面波（SAW）諧振器（Q≌2000），
型號為FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，
振蕩頻率范圍達(dá)250～500MHz，頻率初始偏差為&plun;25～100ppm，
在－20～60℃范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度是&plun;27ppm，老化率為&plun;10ppm/年。
利用FS－555組成的壓控SAW振蕩器
欲擴(kuò)大頻率調(diào)節(jié)范圍，可串聯(lián)電感Lo的電感量。
由于SAW諧振器的頻率可達(dá)2GHz以上，為壓控SAW振蕩器（VCSO）的高頻化提供了一條重要途徑。
很多采購在購買晶振的時(shí)候都會(huì)問到，晶振起什么作用。石英晶振和到陶瓷晶振有什么區(qū)別，那個(gè)質(zhì)量更好等等。
晶振在應(yīng)用具體起到的作用，微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振器槽路；RC（電阻、電容）振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置。
晶振適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器。基于晶振與陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供高的初始和較低的溫度系數(shù)。RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移（甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在條件下運(yùn)行。常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的。硅振蕩
晶振器的要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)摹?br /> 選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。陶瓷晶振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA ~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)不到2mA的電流。在特定的應(yīng)用場合優(yōu)化時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素：、成本、功耗以及環(huán)境需求。
硅機(jī)電振蕩器，可編程晶振的出現(xiàn)讓不少石英晶體生產(chǎn)廠家震撼和恐懼，因?yàn)檫@款可編程的晶體出現(xiàn)會(huì)直接威脅到石英晶振生產(chǎn)商的飯碗。但是以千赫石英晶體表晶為主要生產(chǎn)的廠家到不是很擔(dān)心，因?yàn)槟壳暗墓铏C(jī)電晶體替代技術(shù)還沒法把時(shí)鐘晶體表晶系列給替代，因此以千赫為主要生產(chǎn)的工廠目前不擔(dān)心。
4月20日，美國初創(chuàng)公司SiTime在北京宣布，推出可代替?zhèn)鹘y(tǒng)石英振蕩器的SiT11xx系列MEMS First振蕩器(硅機(jī)電振蕩器)。SiT11xx系列提供1MHz～125MHz輸出頻率，適合數(shù)瑪相機(jī)、游戲機(jī)、機(jī)頂盒、MP3播放器等各類消費(fèi)電子產(chǎn)品，汽車電子及工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。SiTime的振蕩器在-40℃～85℃溫度變化范圍內(nèi)提供50ppm～100ppm的頻率，而操作電壓在3.3V、2.5V或1.8V。SiTime目前已經(jīng)可以提供樣片，預(yù)計(jì)9月量產(chǎn)出貨。SiTime公司還宣布和香港先思行有限公司( Concept Limited)簽定中國大陸及香港地區(qū)銷售代理權(quán)。
在很多數(shù)字集成電路中都要用到實(shí)時(shí)時(shí)鐘( RTC, Real Time Clock ) , 而RTC工作計(jì)時(shí)正確的關(guān)鍵部分就是32 .768KHZ的晶體振蕩器電路. 本文先容了集成32.768KHZ晶體振蕩電路的設(shè)計(jì)方法及留意事項(xiàng), 并用Matlab驗(yàn)證了理論分析, 用Cadence Spectre 了電路.
1 電路結(jié)構(gòu)
如圖1 所示是晶振的整體電路.R1為反相器invl提供偏置,使其中的MOS管工作在飽和區(qū)以獲得較大的增益;C1,C2和雜散電容一起構(gòu)成晶體的電容負(fù)載, 同時(shí)它們和反相器invl一起可以等效為一負(fù)阻, 為晶體提供其振蕩所需要的能量; R2用來降低對晶體的驅(qū)動(dòng)能量, 以晶體振壞或出現(xiàn)異常; 反相器inv2對invl的輸出波形整形并驅(qū)動(dòng)負(fù)載.
圖2 所示為晶體的等效電路,Cp是晶體兩個(gè)引腳間的電容, 對于不同的晶體, 其值在2~ 5pf之間; Rs是晶體的等效串連電阻, 其值表示晶體的損失;Cs和Ls分別為晶體的等效串連電容和電感, 這兩個(gè)值決定了晶體的振蕩頻率.
2 電路原理分析
圖1 所示的晶振電路假如滿足巴克豪林準(zhǔn)則就可以振蕩. 從負(fù)阻的角度來分析電路的工作原理.提供負(fù)阻的電路如圖3(a)所示, 由反相放大器和表晶兩真?zhèn)€負(fù)載電容構(gòu)成.
M1可以替換圖1中的invl,忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)、體效應(yīng)和晶體管的寄生電容. M1的漏電流即是(-I=/C1s)gm ,所
因此
對于S=jw加, 此阻由一個(gè)即是-gm/(ClCZw2)的負(fù)電阻串連C1 和C2組成(圖3(b))
如圖4 所示, 將表晶和放大器的偏置電阻置于M1 的柵漏兩端就構(gòu)成了前面所述的晶振電路,它可以等效為右邊的串連諧振電路, 假如要維持電路振蕩,須Zc的實(shí)部也就是負(fù)阻部分的︱Rosc︱≥Rso其中
這就對反相放大器的gm的大小提出了要求. 分析了gm,的大值和小值, gm只有取中間值, 得到的等效負(fù)阻的盡對值才大于表晶的串聯(lián)電阻, 才能夠維持晶體的振蕩.
設(shè)計(jì)反相器時(shí), 對gm的取值應(yīng)該加以留意. 尤其是對32.768KHZ的晶振, 由于其Rs值很大,gm設(shè)置不當(dāng)很輕易導(dǎo)致晶體不振蕩. 在設(shè)置了合適的電路參數(shù)值的情況下, 使用Matlab畫出(3)式中Zc相對于gm的軌跡圖,如圖5所示,橫軸是Zc的實(shí)部( 電阻部分),縱軸是Zc的虛部(電容部分). 這里使用晶體Rs值為50kΩ.圖中豎線對應(yīng)實(shí)軸上的值為50kΩ,也就是說電路可以振蕩時(shí)gm須落在豎線左邊的半圓上. 豎線與半圓的兩個(gè)交點(diǎn)分別是gm的值和小值.
3 電路設(shè)計(jì)及
實(shí)際電路按照圖1搭建,除了晶體和C1 ,C2的固定部分之外的其它元器件都被集成在電路內(nèi)部, 器件模型選用的0.25um模型.在設(shè)置電路參數(shù)時(shí)有幾點(diǎn)是須留意的.
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晶振在應(yīng)用具體起到的作用，微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；RC（電阻、電容）振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置
晶振適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器?；诰д衽c陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供高的初始和較低的溫度系數(shù)。RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移（甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在條件下運(yùn)行。常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的。硅振蕩
晶振器的要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)摹?br />
選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA ~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)不到2mA的電流。在特定的應(yīng)用場合優(yōu)化時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素：、成本、功耗以及環(huán)境需求。