在頻率控制元器件行業中,常用的石英晶體振蕩器類型我們都知道主要有SPXO,VCXO,TCXO,OCXO,VC-TCXO這幾種,很少有人會去了解CO振蕩器(高Q控制振蕩器),它并不屬于常規的晶振,是為了滿足部分廠家低帶寬PLL的要求.CO受控晶體振蕩器比其他類型的振蕩器穩定性要高許多,而且成本比同步時鐘RC振蕩器更低,可以支持更高性能的產品開發需求.對于低帶寬PLL,高Q控制振蕩器(CO)由于其低增益和高穩定性而成為首選器件.本文討論了壓控振蕩器(VCXO),基于變容二極管和基于PLL的兩種不同的實現方式.它還討論了數字控制振蕩器(DCXO),以提高系統設計的靈活性和穩健性,同時考慮量化,更新延遲和環路濾波器實現對環路性能的影響.

高穩定性受控振蕩器(CO)用于同步或抖動清除PLL,用于網絡,電信,視頻/音頻和儀器儀表應用.這種PLL通常具有非常低的帶寬,例如小于1kHz,以從參考輸入時鐘濾除大部分相位噪聲和抖動.這些電路使用高Q機械諧振器來實現極低的頻率控制增益和高穩定性,這是設計穩定的低帶寬PLL所必需的.

兩個主要的高穩定性受控振蕩器如下.

1.基于可拉高Q諧振器(VCXO)的壓控晶振

2.基于高Q諧振器的數字控制振蕩器(DCXO)

當PLL的輸入中斷且受控振蕩器有效自由運行時,VCXO或DCXO的本機頻率穩定性可以得到改善,以滿足非常嚴格的穩定性要求.示例包括SONET中的同步器和重定時器以及具有保持功能的電信應用.在這種情況下,機械諧振器頻率通過溫度補償技術(VC-TCXO或DC-TCXO)進一步穩定,以校正溫度頻率變化或恒溫控制技術(VC-OCXO或DC-OCXO),以穩定諧振器溫度并根據環境溫度的變化避免頻率變化.

最廣泛使用的高Q諧振器基于石英晶體或微機電系統(MEMS)諧振器.這些諧振器分別依賴于石英晶體或硅材料的機械特性來實現高Q.石英諧振器基于壓電現象操作.當在它們的共振頻率下對它們施加機械應力時,這些諧振器產生最大電流.相比之下,目前市售的MEMS諧振器使用靜電激勵來產生高Q振蕩.

高穩定性CO使用兩種主要的頻率控制方法,如下所示.

1.直接拉動機械諧振器頻率

2.使用高分辨率PLL拉

上述頻率控制器件提供不同的功能和優點,這會影響使用它們的低帶寬PLL的設計和性能.本文分析了這些特征和優點,并檢查了由此產生的權衡.

2.VCXO架構和規范

在解釋不同類型VCXO有源晶振的架構和功能之前,讓我們定義如下的關鍵VCXO規范.

拉動范圍(PR)

標稱條件下全輸入電壓范圍的頻率控制范圍.

絕對拉力范圍(APR)

在整個工作條件范圍內保證頻率控制范圍,包括溫度,老化和電壓/負載變化.由于任何其他因素,APR被計算為PR減去振蕩器頻率穩定性.

VCO增益(kv)

給定輸入電壓變化的頻率變化率.該比率表示為Hz/V或ppm/V.

近距離相位噪聲

頻率下的相位噪聲偏移低于10kHz偏移,這通常由輸入電壓噪聲靈敏度決定.

2.1VCXO架構

VCXO使用下面列出的兩種頻率控制方法之一.

1.直接拉動機械諧振器頻率

這種類型的VCXO的一個常見例子是基于石英的振蕩器,通過改變分流電容來控制諧振頻率.通常,使用變容二極管通過電壓控制電容,從而產生VCXO器件.此示例如圖1所示.

2.使用PLL拉

在這種架構中,穩定的貼片振蕩器輸出驅動高分辨率PLL,通常是小數N分頻PLL,以實現足夠高的分辨率.PLL調制器使用模數轉換器(ADC)以模擬方式驅動.該架構如圖2所示.

圖1:基于拉動諧振器頻率的VCXO

圖2:基于不可拉動諧振器和高分辨率PLL的VCXO

2.2基于變容二極管的VCXO

這些VCXO使用變容二極管來“拉”石英振蕩器的頻率,并已廣泛用于許多應用中.然而,它們的使用需要仔細權衡噪聲,APR和Kv.通常,最好為目標APR選擇最低Kv,以最小化相位噪聲影響并提高PLL穩定性.容納大于+/-100ppm的拉伸范圍可能會對相位噪聲性能或器件的可靠性/質量產生不利影響.Kv線性度與控制電壓的關系在10％范圍內,這會影響PLL帶寬和整個工作范圍內的穩定性.

2.3基于PLL的VCXO

基于PLL的壓控晶體振蕩器使用由高穩定性振蕩器驅動的高分辨率PLL,如基于MEMS或石英的振蕩器,如圖2所示.頻率控制功能通過ADC實現,數字化輸入電壓并驅動小數N分頻PLL調制器.該架構具有以下優點.

•可以輕松實現0.1％至1％的Kv線性度

•可以在不影響MEMS或石英振蕩器質量的情況下實現寬拉動范圍(>1000pm).但是,這種VCXO確實需要額外的ADC和分數PLL電路.ADC數字分辨率通常設計為小于AC電路的熱噪聲.ADC之后是低通濾波器,以最大限度地降低熱噪聲和量化噪聲.由于熱噪聲的抖動效應,整個電路允許有效的無限分辨率.因此,從應用的角度來看,直接模擬控制與使用這種ADC在頻率控制分辨率方面沒有區別.

ADC噪聲對近端相位噪聲的影響取決于拉動范圍.拉動范圍越大,輸出對輸入噪聲越敏感.對于低拉范圍,在±50ppm或更低的范圍內,噪聲影響通常是最小的,這意味著近端相位噪聲主要由振蕩器相位噪聲決定.

Vin噪聲影響與拉動范圍成比例增加,每拉動一倍的范圍大約為6dB.基于變容二極管的石英VCXO也是如此.因此,在兩種類型的VCXO晶振中都存在近景相位噪聲和拉動范圍之間的折衷.