傳統VCXO與可編程VCXO晶振不一樣的特性大比拼
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年12月16
傳統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SiTime晶振公司,就已經開發出了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.從外表上看也有較大的區別,MEMS是黑色表面的,傳統的壓控石英晶振是白色的,那么這兩種的特性和參數性能又有什么不一樣的呢,請看本文為大家詳細的分析和講解.
VCXO是頻率控制設備,允許隨著輸入電壓的變化而改變輸出頻率.為任何應用選擇VCXO時,必須考慮許多設備性能規格.本應用筆記試圖闡明特定于VCXO的關鍵性能規范,并說明與在應用程序中使用VCXO相關的一些權衡.
圖1:VCXO框圖
拉動范圍,絕對拉動范圍:
牽引范圍(PR)是在標稱條件下,在其最大范圍內改變控制電壓將導致的頻率偏差量.絕對牽引范圍是在所有環境和老化條件下保證可控的頻率范圍.實際上,它是在考慮了溫度、電源電壓和老化等變量的頻率穩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、電源和負載的變化而導致的器件頻率穩定性.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的額定頻率穩定性一樣大.對于這種VCXOs,頻率穩定性和APR是相互獨立的.這允許在不影響頻率穩定性的情況下提供非常廣泛的拉取選項.
圖3顯示了典型的石英基VCXO頻率與電壓(FV)的關系.對于石英基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定性的效果.因此,必須在應用所需的最小APR和該APR可用的最小頻率穩定性之間進行權衡.通常,最好選擇滿足應用要求的最低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定極限(見圖2).施加超過上限和下限的電壓不會導致輸出頻率發生明顯變化.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通過變容二極管實現頻率控制功能,從而產生彎曲的FV特性(圖4).這些設備的線性規格通常在5％至10％的范圍內,如圖5所示.為進行比較,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應用中的關鍵設計參數.斜率是FV特性的導數-頻率偏差除以在較小的電壓范圍內產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PLL設計中使用的術語,斜率通常稱為"KV".基于石英晶振的標準VCXO的FV特性斜率可能會在輸入控制電壓范圍內發生較大變化,通常為10-20％.一些數據手冊可能會指定一個"平均"Kv作為典型值,但由于Kv影響重要的PLL性能參數,例如帶寬和相位裕量,因此,在成功的設計中必須了解并考慮整個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,這意味著在整個輸入電壓范圍內(典型值<1％),Kv的變 化很小,從而大大減輕了PLL設計人員的設計負擔.
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(電壓增加輸出頻率減少).SiTime 380X系列VCXO提供了正斜率選項.
控制電壓帶寬:
控制電壓帶寬,有時也稱為"調制速率"或"調制帶寬",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VCXO中具有低通特性.對于在相同電壓范圍內掃描的直流輸入,調制率定義為相對于KvKvis降低3dB的調制率.
例如,具有+/-150ppm上拉范圍和0-3V控制電壓的部件可以被認為具有100ppm/V的平均KV.施加1.5VDC±0.5V的輸入會導致輸出頻率降低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分傳統石英壓控振蕩器,與MEMS可編程振蕩器之間的特性,優勢,缺點對比,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://www.ytxiaoping.cn/官網上留言,金洛鑫電子將在最快的時間內回復!
傳統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SiTime晶振公司,就已經開發出了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.從外表上看也有較大的區別,MEMS是黑色表面的,傳統的壓控石英晶振是白色的,那么這兩種的特性和參數性能又有什么不一樣的呢,請看本文為大家詳細的分析和講解.
VCXO是頻率控制設備,允許隨著輸入電壓的變化而改變輸出頻率.為任何應用選擇VCXO時,必須考慮許多設備性能規格.本應用筆記試圖闡明特定于VCXO的關鍵性能規范,并說明與在應用程序中使用VCXO相關的一些權衡.
圖1:VCXO框圖
牽引范圍(PR)是在標稱條件下,在其最大范圍內改變控制電壓將導致的頻率偏差量.絕對牽引范圍是在所有環境和老化條件下保證可控的頻率范圍.實際上,它是在考慮了溫度、電源電壓和老化等變量的頻率穩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、電源和負載的變化而導致的器件頻率穩定性.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的額定頻率穩定性一樣大.對于這種VCXOs,頻率穩定性和APR是相互獨立的.這允許在不影響頻率穩定性的情況下提供非常廣泛的拉取選項.
圖3顯示了典型的石英基VCXO頻率與電壓(FV)的關系.對于石英基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定性的效果.因此,必須在應用所需的最小APR和該APR可用的最小頻率穩定性之間進行權衡.通常,最好選擇滿足應用要求的最低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定極限(見圖2).施加超過上限和下限的電壓不會導致輸出頻率發生明顯變化.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通過變容二極管實現頻率控制功能,從而產生彎曲的FV特性(圖4).這些設備的線性規格通常在5％至10％的范圍內,如圖5所示.為進行比較,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應用中的關鍵設計參數.斜率是FV特性的導數-頻率偏差除以在較小的電壓范圍內產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PLL設計中使用的術語,斜率通常稱為"KV".基于石英晶振的標準VCXO的FV特性斜率可能會在輸入控制電壓范圍內發生較大變化,通常為10-20％.一些數據手冊可能會指定一個"平均"Kv作為典型值,但由于Kv影響重要的PLL性能參數,例如帶寬和相位裕量,因此,在成功的設計中必須了解并考慮整個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,這意味著在整個輸入電壓范圍內(典型值<1％),Kv的變 化很小,從而大大減輕了PLL設計人員的設計負擔.
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(電壓增加輸出頻率減少).SiTime 380X系列VCXO提供了正斜率選項.
控制電壓帶寬:
控制電壓帶寬,有時也稱為"調制速率"或"調制帶寬",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VCXO中具有低通特性.對于在相同電壓范圍內掃描的直流輸入,調制率定義為相對于KvKvis降低3dB的調制率.
例如,具有+/-150ppm上拉范圍和0-3V控制電壓的部件可以被認為具有100ppm/V的平均KV.施加1.5VDC±0.5V的輸入會導致輸出頻率降低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分傳統石英壓控振蕩器,與MEMS可編程振蕩器之間的特性,優勢,缺點對比,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://www.ytxiaoping.cn/官網上留言,金洛鑫電子將在最快的時間內回復!
傳統VCXO與可編程VCXO晶振不一樣的特性大比拼
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