在频率控制元器件行业中,常用的石英晶体振荡器类型我们都知道主要有SPXO,VCXO,TCXO,OCXO,VC-TCXO这几种,很少有人会去了解CO振荡器(高Q控制振荡器),它并不属于常规的晶振,是为了满足部分厂家低带宽PLL的要求.CO受控晶体振荡器比其他类型的振荡器稳定性要高许多,而且成本比同步时钟RC振荡器更低,可以支持更高性能的产品开发需求.对于低带宽PLL,高Q控制振荡器(CO)由于其低增益和高稳定性而成为首选器件.本文讨论了压控振荡器(VCXO),基于变容二极管和基于PLL的两种不同的实现方式.它还讨论了数字控制振荡器(DCXO),以提高系统设计的灵活性和稳健性,同时考虑量化,更新延迟和环路滤波器实现对环路性能的影响.

高稳定性受控振荡器(CO)用于同步或抖动清除PLL,用于网络,电信,视频/音频和仪器仪表应用.这种PLL通常具有非常低的带宽,例如小于1kHz,以从参考输入时钟滤除大部分相位噪声和抖动.这些电路使用高Q机械谐振器来实现极低的频率控制增益和高稳定性,这是设计稳定的低带宽PLL所必需的.

两个主要的高稳定性受控振荡器如下.

1.基于可拉高Q谐振器(VCXO)的压控晶振

2.基于高Q谐振器的数字控制振荡器(DCXO)

当PLL的输入中断且受控振荡器有效自由运行时,VCXO或DCXO的本机频率稳定性可以得到改善,以满足非常严格的稳定性要求.示例包括SONET中的同步器和重定时器以及具有保持功能的电信应用.在这种情况下,机械谐振器频率通过温度补偿技术(VC-TCXO或DC-TCXO)进一步稳定,以校正温度频率变化或恒温控制技术(VC-OCXO或DC-OCXO),以稳定谐振器温度并根据环境温度的变化避免频率变化.

最广泛使用的高Q谐振器基于石英晶体或微机电系统(MEMS)谐振器.这些谐振器分别依赖于石英晶体或硅材料的机械特性来实现高Q.石英谐振器基于压电现象操作.当在它们的共振频率下对它们施加机械应力时,这些谐振器产生最大电流.相比之下,目前市售的MEMS谐振器使用静电激励来产生高Q振荡.

高稳定性CO使用两种主要的频率控制方法,如下所示.

1.直接拉动机械谐振器频率

2.使用高分辨率PLL拉

上述频率控制器件提供不同的功能和优点,这会影响使用它们的低带宽PLL的设计和性能.本文分析了这些特征和优点,并检查了由此产生的权衡.

2.VCXO架构和规范

在解释不同类型VCXO有源晶振的架构和功能之前,让我们定义如下的关键VCXO规范.

拉动范围(PR)

标称条件下全输入电压范围的频率控制范围.

绝对拉力范围(APR)

在整个工作条件范围内保证频率控制范围,包括温度,老化和电压/负载变化.由于任何其他因素,APR被计算为PR减去振荡器频率稳定性.

VCO增益(kv)

给定输入电压变化的频率变化率.该比率表示为Hz/V或ppm/V.

近距离相位噪声

频率下的相位噪声偏移低于10kHz偏移,这通常由输入电压噪声灵敏度决定.

2.1VCXO架构

VCXO使用下面列出的两种频率控制方法之一.

1.直接拉动机械谐振器频率

这种类型的VCXO的一个常见例子是基于石英的振荡器,通过改变分流电容来控制谐振频率.通常,使用变容二极管通过电压控制电容,从而产生VCXO器件.此示例如图1所示.

2.使用PLL拉

在这种架构中,稳定的贴片振荡器输出驱动高分辨率PLL,通常是小数N分频PLL,以实现足够高的分辨率.PLL调制器使用模数转换器(ADC)以模拟方式驱动.该架构如图2所示.

图1:基于拉动谐振器频率的VCXO

图2:基于不可拉动谐振器和高分辨率PLL的VCXO

2.2基于变容二极管的VCXO

这些VCXO使用变容二极管来“拉”石英振荡器的频率,并已广泛用于许多应用中.然而,它们的使用需要仔细权衡噪声,APR和Kv.通常,最好为目标APR选择最低Kv,以最小化相位噪声影响并提高PLL稳定性.容纳大于+/-100ppm的拉伸范围可能会对相位噪声性能或器件的可靠性/质量产生不利影响.Kv线性度与控制电压的关系在10％范围内,这会影响PLL带宽和整个工作范围内的稳定性.

2.3基于PLL的VCXO

基于PLL的压控晶体振荡器使用由高稳定性振荡器驱动的高分辨率PLL,如基于MEMS或石英的振荡器,如图2所示.频率控制功能通过ADC实现,数字化输入电压并驱动小数N分频PLL调制器.该架构具有以下优点.

•可以轻松实现0.1％至1％的Kv线性度

•可以在不影响MEMS或石英振荡器质量的情况下实现宽拉动范围(>1000pm).但是,这种VCXO确实需要额外的ADC和分数PLL电路.ADC数字分辨率通常设计为小于AC电路的热噪声.ADC之后是低通滤波器,以最大限度地降低热噪声和量化噪声.由于热噪声的抖动效应,整个电路允许有效的无限分辨率.因此,从应用的角度来看,直接模拟控制与使用这种ADC在频率控制分辨率方面没有区别.

ADC噪声对近端相位噪声的影响取决于拉动范围.拉动范围越大,输出对输入噪声越敏感.对于低拉范围,在±50ppm或更低的范围内,噪声影响通常是最小的,这意味着近端相位噪声主要由振荡器相位噪声决定.

Vin噪声影响与拉动范围成比例增加,每拉动一倍的范围大约为6dB.基于变容二极管的石英VCXO也是如此.因此,在两种类型的VCXO晶振中都存在近景相位噪声和拉动范围之间的折衷.