振蕩器是一種在輸出端子上產生AC信號的設備."振蕩"這個術語可以定義為"以有規律的速度往復運動".通過將輸入端的DC電壓轉換為輸出端子上的重復AC電壓,振蕩器可以產生信號實現此目的.振蕩器包括放大器和濾波器/耦合網絡,它們使用正反饋環路工作.振蕩器通常采用密閉式封裝.這對于很多應用是非常實用的,例如控制數字處理器的速度,生成時鐘信號,創建載波發生器或接收器等多種應用.當前市場上有多個不同類型的振蕩器,包括石英晶體振蕩器,MEMS,壓控晶體振蕩器,溫度補償晶體振蕩器等.本文將探討一些主要類型的振蕩器,以及業內使用的一些常見術語.
振蕩器的一些關鍵參數包括工作頻率,供電電壓,輸出信號,頻率穩定性.除此之外,還有其他考慮因素,但這些參數相對比較重要.
晶體振蕩器(XO)
振蕩器有很多不同類型.最常用的一種是晶體振蕩器.石英晶振是生成時鐘信號的最常用方法之一.這正是“晶體振蕩器”這一名稱的出處.晶體振蕩器不僅只包括晶體,還有一個電路,設計用于生成適合特定負載的某種信號.晶體元件決定頻率,該頻率將是固定的.除了頻率之外,輸出的類型也是非常重要的,必須牢記這一點.如果設備需要帶有TTL信號的時鐘,則應選擇帶有TTL輸出的振蕩器.AbraconLLC提供的SE-48.000MHZ-LC-T就是此類振蕩器的一個實例.
圖1:Abracon晶振的ASE-48.000MHZ-LC-T48MHz晶體振蕩器
振蕩器通常以系列產品的形式推出,此類專有產品系列都遵循相同的零件編號方案.ASE-48.000MHZ-LC-T也屬于此類零件編號方案.編號方案通常包括一個前綴,指示振蕩器屬于哪個系列.接下來通常是頻率的編號,一般以MHz為單位.工作溫度通常也是選項.兩個最常見的工作溫度范圍為-20°C至70°C和-40°C至85°C.后面通常是頻率穩定性的編號.根據艾博康晶振提供的術語表,頻率穩定性是在工作溫度范圍內"相對于25°C溫度下的測量頻率的最大允許頻率偏差".ASE系列只有CMOS輸出,因此未在編號中標示.振蕩器旨在驅動特定負載.晶振和振蕩電路能夠提供帶有邏輯電平輸出的信號.這些輸出包括很多不同類型,旨在滿足振蕩器所驅動負載的邏輯需求,例如TTL,CMOS,HCMOS和削峰正弦波等.請務必查看需要振蕩器時鐘輸出的設備的說明文檔.這樣用戶可以知道設備需要振蕩器提供哪種類型的邏輯輸出.圖4顯示了ASE系列的零件編號方案.
圖2:Abracon的ASE系列零件編號方案(圖片來源:Abracon).
MEMS振蕩器
基于MEMS的振蕩器產生與晶體振蕩器相同的結果,但工作方式不同.MEMS表示"微機電系統".這種振蕩器在芯片中使用刻蝕硅片來充當具有共振頻率的音叉.晶體振蕩器在制造過程中涉及到兩種技術.石英晶片不僅制造難度大,而且成本昂貴.它們需要與振蕩電路結合,因而在制造流程中需要額外步驟.這樣會提高成本,延長交付周期.MEMS振蕩器只需采用硅片技術,這種技術實現了高度自動化,而且制造成本低于石英晶體.因此,成品的成本比較低.MEMS振蕩器消耗的電流通常低于晶體振蕩器,因而成為電池供電應用的理想選擇.它們還能比晶體振蕩器更好地耐受劇烈振動和沖擊.SiTIME提供的SIT8808BI-73-18S-25.000000G就是可編程晶振的一個實例.
壓控振蕩器(VCXO)
顧名思義,壓控振蕩器能夠基于不同輸入電壓來改變頻率.通常有一個控制引腳,能夠施加不同的電壓,以更改輸出電壓.制造商通常會在說明文檔中指明什么是"控制電壓",它實際上就是控制輸出頻率的電壓.頻率控制是通過將變容二極管與晶體串聯實現的.變容二極管將基于其輸入電壓來改變其內部電容.變容二極管是反向偏壓二極管,基于耗盡區的大小來改變其電容.施加更高電壓時,耗盡區也會變大,導致電容值降低.這樣,用戶就能夠控制振蕩器的頻率輸出.在鎖相環等應用中,或者在需要溫度補償的網絡中,這種特性可能是非常有用的.通過創建控制引腳的反饋環路,可以自動控制壓控晶體振蕩器的頻率.在說明文檔中應該查看的另一個參數是"絕對牽引范圍".它是能夠在所有環境和老化條件下控制的頻率范圍.CTS-FrequencyControls提供的357LB3I027M000是壓控振蕩器的一個實例,如圖6中的圖片所示.
圖3:來自CTS-FrequencyControls的357LB3I02M000壓控振蕩器
溫度補償振蕩器(TCXO)
溫度補償晶振能夠對最終改變輸出頻率的溫度變化進行補償.這類振蕩器適用于動態環境的應用.蜂窩電話就是一個很好的例子,該設備在其生命周期中可能遇到冷熱不同的環境.智能手機中的微處理器需要在冬季和夏季的不同氣候條件下工作,但用戶期望它在所有條件下都保持相同的工作狀態.溫度補償振蕩器使用補償網絡,針對溫度變化進行調節.它們是壓控振蕩器和恒溫控制振蕩器(OCXO)之間的橋梁,與典型的溫度控制振蕩器相比,其成本更昂貴,功耗也更高.溫度補償網絡通常由熱敏電阻和可變電抗器構成.可變電抗器根據補償網絡的輸出電壓改變其在晶體中的負載.它的工作方式類似于壓控振蕩器,但還采用了熱敏電阻,幫助進行溫度補償.ECSInc.International提供的ECS-TXO-3225-147.4-TR晶振是溫度補償振蕩器的一個實例,如圖7中的圖片所示.
圖4:ECSInc.International的ECS-TXO-3225-147.4-TR溫度補償振蕩器.
總結
有關石英晶體振蕩器的話題還有很多可以探討,遠不只限于本文提及的內容.本文的基本目的是介紹適合不同應用的不同類型振蕩器.雖然所有這些振蕩器有相同的目標,即為設備提供時鐘信號,但它們實現這個目標的方式卻各不相同.
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