傳統(tǒng)VCXO與可編程VCXO晶振不一樣的特性大比拼
來源：http://m.xwpc.com.cn 作者：金洛鑫電子 2019年12月16
傳統(tǒng)VCXO與可編程VCXO晶振不一樣的特性大比拼
VCXO的英文全稱是Voltage controlled crystal oscillator,這是一種壓控晶體振蕩器器件,傳統(tǒng)的VCXO晶振的主要原材料是石英水晶,但是早在十幾年前美國(guó)SiTime晶振公司,就已經(jīng)開發(fā)出了MEMS可編程壓控振蕩器,我們都知道MEMS的材料是硅晶,是與石英和水晶不一樣的材質(zhì).從外表上看也有較大的區(qū)別,MEMS是黑色表面的,傳統(tǒng)的壓控石英晶振是白色的,那么這兩種的特性和參數(shù)性能又有什么不一樣的呢,請(qǐng)看本文為大家詳細(xì)的分析和講解.
VCXO是頻率控制設(shè)備,允許隨著輸入電壓的變化而改變輸出頻率.為任何應(yīng)用選擇VCXO時(shí),必須考慮許多設(shè)備性能規(guī)格.本應(yīng)用筆記試圖闡明特定于VCXO的關(guān)鍵性能規(guī)范,并說明與在應(yīng)用程序中使用VCXO相關(guān)的一些權(quán)衡.
圖1:VCXO框圖
拉動(dòng)范圍,絕對(duì)拉動(dòng)范圍:
牽引范圍(PR)是在標(biāo)稱條件下,在其最大范圍內(nèi)改變控制電壓將導(dǎo)致的頻率偏差量.絕對(duì)牽引范圍是在所有環(huán)境和老化條件下保證可控的頻率范圍.實(shí)際上,它是在考慮了溫度、電源電壓和老化等變量的頻率穩(wěn)定性容差后剩余的拉量程,即:
其中,Fstability是由于初始容差以及溫度、電源和負(fù)載的變化而導(dǎo)致的器件頻率穩(wěn)定性.圖2顯示了典型的SiTime壓控晶體振蕩器FV特性.FV特性隨條件而變化,因此給定輸入電壓下的頻率輸出可以與VCXO的額定頻率穩(wěn)定性一樣大.對(duì)于這種VCXOs,頻率穩(wěn)定性和APR是相互獨(dú)立的.這允許在不影響頻率穩(wěn)定性的情況下提供非常廣泛的拉取選項(xiàng).
圖3顯示了典型的石英基VCXO頻率與電壓(FV)的關(guān)系.對(duì)于石英基VCXOs,為了獲得更高的APR,通常需要使用更低Q值的晶體來使晶體更"可拉"然而,這也具有降低頻率穩(wěn)定性的效果.因此,必須在應(yīng)用所需的最小APR和該APR可用的最小頻率穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡.通常,最好選擇滿足應(yīng)用要求的最低APR.
圖2:典型的SiTime VCXO FV特性
圖3:典型的石英VCXO FV特性
上下控制電壓:
上限和下限控制電壓是輸入電壓范圍的規(guī)定極限(見圖2).施加超過上限和下限的電壓不會(huì)導(dǎo)致輸出頻率發(fā)生明顯變化.換句話說,VCXO的FV特性飽和超過這些電壓.圖1和2將這些電壓顯示為較低的控制電壓(VC_L)和較高的控制電壓(VC_U).
線性度:
在任何VCXO中,FV特性都會(huì)與理想直線有所偏差.線性度是最大偏差與總拉力范圍的比率,用百分比表示.典型的石英基VCXO通過變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)頻率控制功能,從而產(chǎn)生彎曲的FV特性(圖4).這些設(shè)備的線性規(guī)格通常在5％至10％的范圍內(nèi),如圖5所示.為進(jìn)行比較,圖6顯示了SiTime晶振380X系列VCXO的線性.該特性是極線性的,通常遠(yuǎn)小于1％(圖7).
圖4:典型的石英VCXO線性度圖5:典型的石英VCXOKv變化
圖6:典型的SiTimeVCXO線性圖7:典型的SiTimeVCXOKv變化
FV特性斜率,Kv:
FV特性的斜率是許多低帶寬PLL應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù).斜率是FV特性的導(dǎo)數(shù)-頻率偏差除以在較小的電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生該頻率偏差所需的控制電壓變化,如下所示:
通常以kHz/伏特,MHz/伏特,PPM/伏特或類似單位表示.根據(jù)PLL設(shè)計(jì)中使用的術(shù)語,斜率通常稱為"KV".基于石英晶振的標(biāo)準(zhǔn)VCXO的FV特性斜率可能會(huì)在輸入控制電壓范圍內(nèi)發(fā)生較大變化,通常為10-20％.一些數(shù)據(jù)手冊(cè)可能會(huì)指定一個(gè)"平均"Kv作為典型值,但由于Kv影響重要的PLL性能參數(shù),例如帶寬和相位裕量,因此,在成功的設(shè)計(jì)中必須了解并考慮整個(gè)Kv變化.
圖5和圖7顯示了典型的基于石英的SiTimeVCXO380X系列Kv特性.SiTime 380X VCXO系列具有極高的線性特性,這意味著在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)(典型值<1％),Kv的變 化很小,從而大大減輕了PLL設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān).
頻率變化極性:
頻率變化極性指定電壓-頻率特性的斜率是正(電壓增加輸出頻率增加)還是負(fù)(電壓增加輸出頻率減少).SiTime 380X系列VCXO提供了正斜率選項(xiàng).
控制電壓帶寬:
控制電壓帶寬,有時(shí)也稱為"調(diào)制速率"或"調(diào)制帶寬",是輸出頻率可以跟蹤輸入電壓變化的速率.以前用Kv表示的輸出頻率變化與輸入電壓變化之比在大多數(shù)VCXO中具有低通特性.對(duì)于在相同電壓范圍內(nèi)掃描的直流輸入,調(diào)制率定義為相對(duì)于KvKvis降低3dB的調(diào)制率.
例如,具有+/-150ppm上拉范圍和0-3V控制電壓的部件可以被認(rèn)為具有100ppm/V的平均KV.施加1.5VDC±0.5V的輸入會(huì)導(dǎo)致輸出頻率降低100ppm(+/-50ppm).如果將控制電壓帶寬指定為8kHz,則隨著控制電壓的頻率增加到8kHz,輸出頻率變化的峰峰值將減小到100ppm/√2或71ppm.
本篇文章的目的就是為了區(qū)分傳統(tǒng)石英壓控振蕩器,與MEMS可編程振蕩器之間的特性,優(yōu)勢(shì),缺點(diǎn)對(duì)比,讓用戶更明確的選擇適合的晶振,以上資料都由SiTime提供,如有疑問可在http://m.xwpc.com.cn/官網(wǎng)上留言,金洛鑫電子將在最快的時(shí)間內(nèi)回復(fù)!
傳統(tǒng)VCXO與可編程VCXO晶振不一樣的特性大比拼
VCXO的英文全稱是Voltage controlled crystal oscillator,這是一種壓控晶體振蕩器器件,傳統(tǒng)的VCXO晶振的主要原材料是石英水晶,但是早在十幾年前美國(guó)SiTime晶振公司,就已經(jīng)開發(fā)出了MEMS可編程壓控振蕩器,我們都知道MEMS的材料是硅晶,是與石英和水晶不一樣的材質(zhì).從外表上看也有較大的區(qū)別,MEMS是黑色表面的,傳統(tǒng)的壓控石英晶振是白色的,那么這兩種的特性和參數(shù)性能又有什么不一樣的呢,請(qǐng)看本文為大家詳細(xì)的分析和講解.
VCXO是頻率控制設(shè)備,允許隨著輸入電壓的變化而改變輸出頻率.為任何應(yīng)用選擇VCXO時(shí),必須考慮許多設(shè)備性能規(guī)格.本應(yīng)用筆記試圖闡明特定于VCXO的關(guān)鍵性能規(guī)范,并說明與在應(yīng)用程序中使用VCXO相關(guān)的一些權(quán)衡.
圖1:VCXO框圖
牽引范圍(PR)是在標(biāo)稱條件下,在其最大范圍內(nèi)改變控制電壓將導(dǎo)致的頻率偏差量.絕對(duì)牽引范圍是在所有環(huán)境和老化條件下保證可控的頻率范圍.實(shí)際上,它是在考慮了溫度、電源電壓和老化等變量的頻率穩(wěn)定性容差后剩余的拉量程,即:
其中,Fstability是由于初始容差以及溫度、電源和負(fù)載的變化而導(dǎo)致的器件頻率穩(wěn)定性.圖2顯示了典型的SiTime壓控晶體振蕩器FV特性.FV特性隨條件而變化,因此給定輸入電壓下的頻率輸出可以與VCXO的額定頻率穩(wěn)定性一樣大.對(duì)于這種VCXOs,頻率穩(wěn)定性和APR是相互獨(dú)立的.這允許在不影響頻率穩(wěn)定性的情況下提供非常廣泛的拉取選項(xiàng).
圖3顯示了典型的石英基VCXO頻率與電壓(FV)的關(guān)系.對(duì)于石英基VCXOs,為了獲得更高的APR,通常需要使用更低Q值的晶體來使晶體更"可拉"然而,這也具有降低頻率穩(wěn)定性的效果.因此,必須在應(yīng)用所需的最小APR和該APR可用的最小頻率穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡.通常,最好選擇滿足應(yīng)用要求的最低APR.
圖2:典型的SiTime VCXO FV特性
圖3:典型的石英VCXO FV特性
上限和下限控制電壓是輸入電壓范圍的規(guī)定極限(見圖2).施加超過上限和下限的電壓不會(huì)導(dǎo)致輸出頻率發(fā)生明顯變化.換句話說,VCXO的FV特性飽和超過這些電壓.圖1和2將這些電壓顯示為較低的控制電壓(VC_L)和較高的控制電壓(VC_U).
線性度:
在任何VCXO中,FV特性都會(huì)與理想直線有所偏差.線性度是最大偏差與總拉力范圍的比率,用百分比表示.典型的石英基VCXO通過變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)頻率控制功能,從而產(chǎn)生彎曲的FV特性(圖4).這些設(shè)備的線性規(guī)格通常在5％至10％的范圍內(nèi),如圖5所示.為進(jìn)行比較,圖6顯示了SiTime晶振380X系列VCXO的線性.該特性是極線性的,通常遠(yuǎn)小于1％(圖7).
圖4:典型的石英VCXO線性度圖5:典型的石英VCXOKv變化
圖6:典型的SiTimeVCXO線性圖7:典型的SiTimeVCXOKv變化
FV特性的斜率是許多低帶寬PLL應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù).斜率是FV特性的導(dǎo)數(shù)-頻率偏差除以在較小的電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生該頻率偏差所需的控制電壓變化,如下所示:
通常以kHz/伏特,MHz/伏特,PPM/伏特或類似單位表示.根據(jù)PLL設(shè)計(jì)中使用的術(shù)語,斜率通常稱為"KV".基于石英晶振的標(biāo)準(zhǔn)VCXO的FV特性斜率可能會(huì)在輸入控制電壓范圍內(nèi)發(fā)生較大變化,通常為10-20％.一些數(shù)據(jù)手冊(cè)可能會(huì)指定一個(gè)"平均"Kv作為典型值,但由于Kv影響重要的PLL性能參數(shù),例如帶寬和相位裕量,因此,在成功的設(shè)計(jì)中必須了解并考慮整個(gè)Kv變化.
圖5和圖7顯示了典型的基于石英的SiTimeVCXO380X系列Kv特性.SiTime 380X VCXO系列具有極高的線性特性,這意味著在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)(典型值<1％),Kv的變 化很小,從而大大減輕了PLL設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān).
頻率變化極性:
頻率變化極性指定電壓-頻率特性的斜率是正(電壓增加輸出頻率增加)還是負(fù)(電壓增加輸出頻率減少).SiTime 380X系列VCXO提供了正斜率選項(xiàng).
控制電壓帶寬:
控制電壓帶寬,有時(shí)也稱為"調(diào)制速率"或"調(diào)制帶寬",是輸出頻率可以跟蹤輸入電壓變化的速率.以前用Kv表示的輸出頻率變化與輸入電壓變化之比在大多數(shù)VCXO中具有低通特性.對(duì)于在相同電壓范圍內(nèi)掃描的直流輸入,調(diào)制率定義為相對(duì)于KvKvis降低3dB的調(diào)制率.
例如,具有+/-150ppm上拉范圍和0-3V控制電壓的部件可以被認(rèn)為具有100ppm/V的平均KV.施加1.5VDC±0.5V的輸入會(huì)導(dǎo)致輸出頻率降低100ppm(+/-50ppm).如果將控制電壓帶寬指定為8kHz,則隨著控制電壓的頻率增加到8kHz,輸出頻率變化的峰峰值將減小到100ppm/√2或71ppm.
本篇文章的目的就是為了區(qū)分傳統(tǒng)石英壓控振蕩器,與MEMS可編程振蕩器之間的特性,優(yōu)勢(shì),缺點(diǎn)對(duì)比,讓用戶更明確的選擇適合的晶振,以上資料都由SiTime提供,如有疑問可在http://m.xwpc.com.cn/官網(wǎng)上留言,金洛鑫電子將在最快的時(shí)間內(nèi)回復(fù)!
傳統(tǒng)VCXO與可編程VCXO晶振不一樣的特性大比拼
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