摘要：“VCXO” (壓控晶體振蕩器)是由晶體決定振蕩頻率的振蕩器，可用控制電壓在小范圍內(nèi)進(jìn)行頻率調(diào)整。VCXO時(shí)鐘(CLK)發(fā)生器已在多種系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如數(shù)字電視，數(shù)字音頻，ADSL和STB。此應(yīng)用筆記介紹VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵參數(shù)測量，PCB設(shè)計(jì)指南，以及對一個(gè)應(yīng)用于MPEG2和AC-3音頻設(shè)備的VCXO CLK發(fā)生器MAX9485的測試結(jié)果。

　　VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

　　“VCXO”，即壓控晶體振蕩器，其振蕩頻率由晶體決定，但可用控制電壓在小范圍內(nèi)對頻率進(jìn)行調(diào)整，控制電壓范圍一般為0V至2V或0V至3V。VCXO的調(diào)諧范圍為±100ppm至±200ppm。圖1為一個(gè)典型VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和晶振電路模型。

　　圖1. 典型VCXO CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖

　　變?nèi)?a target="_blank">二極管CV1和CV2的容值變化會(huì)影響到晶振模型，從而改變振蕩頻率。兩個(gè)外接并聯(lián)電容CS1和CS2用來調(diào)整諧振范圍和中心頻率的偏移。按照圖1所示的晶振電路，諧振頻率可用下式表示：

　　其中CL是由CV1，2和CS1，2決定的等效負(fù)載電容。可準(zhǔn)確地表示為：CL = (CV1+CS1) || (CV2 + CS2)。取一階近似并考慮到C1 << C0和CL，可得到fC的頻率增量。

　　圖2為CS1 = CS2時(shí)，fC隨CS1值變化的典型曲線圖。

　　圖2. VCXO頻率與并聯(lián)電容CS1 (CS1=CS2)

　　利用這一微調(diào)特性，可使用VCXO和PLL構(gòu)成一個(gè)具有微調(diào)特性的CLK發(fā)生器。

　　VCXO CLK已經(jīng)在多種系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如數(shù)字電視，數(shù)字音頻，ADSL和STB。Maxim的MAX9485就是這樣一款CLK發(fā)生器芯片，專為MPEG-2和杜比數(shù)字音頻(AC-3)應(yīng)用設(shè)計(jì)[1]，它幾乎可以提供數(shù)字音頻到模擬轉(zhuǎn)換所采用的所有頻率，支持從12kHz到96kHz的采樣頻率。 Maxim還為其它應(yīng)用設(shè)計(jì)了各種VCXO CLK發(fā)生器。

　　VCXO CLK發(fā)生器的關(guān)鍵參數(shù)

　　有許多參數(shù)用來描述VCXO CLK發(fā)生器。其中重要的是調(diào)諧電壓范圍、中心頻率、牽引范圍以及時(shí)鐘輸出抖動(dòng)。

　　調(diào)諧電壓范圍為VCXO控制電壓的變化范圍，此電壓控制變?nèi)荻O管的電容。通常為0V至2V或3V。中心頻率為VCXO輸出頻率范圍的中點(diǎn)。牽引范圍為變化頻率(增大或減少)與中心頻率的比值。此比值一般用ppm表示(百萬分之一)，代表VCXO的相對頻率牽引范圍。通常牽引范圍大約為100ppm至200ppm，取決于VCXO的結(jié)構(gòu)和所選擇的晶體。

　　時(shí)鐘抖動(dòng)是CLK發(fā)生器的一個(gè)重要參數(shù)，有多種關(guān)于抖動(dòng)的定義。兩個(gè)常用的抖動(dòng)參數(shù)稱為“周期”抖動(dòng)和“周期間”抖動(dòng)，我們將在第四節(jié)詳細(xì)討論這些問題。抖動(dòng)取決于CLK發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，芯片之間會(huì)有差異，不同的應(yīng)用對抖動(dòng)的要求也不相同。

　　晶體選擇和電路板設(shè)計(jì)

　　晶體的選擇和PCB布局會(huì)對VCXO CLK發(fā)生器的性能參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。選擇晶體時(shí)，除了頻率、封裝、和工作溫度范圍，在VCXO應(yīng)用中還應(yīng)注意等效串聯(lián)電阻和負(fù)載電容。串聯(lián)電阻導(dǎo)致晶體的功耗增大。阻值越低，振蕩器越容易起振。負(fù)載電容是晶體的一個(gè)重要參數(shù)，首先，它決定了晶體的諧振頻率。一般晶體的標(biāo)稱頻率指的是其并聯(lián)指定負(fù)載電容后的諧振頻率。應(yīng)當(dāng)指出，此處的標(biāo)稱頻率是當(dāng)CL等于指定負(fù)載電容時(shí)利用公式(1)計(jì)算出的值，但不是利用計(jì)算出的值1/(2 π √L1C1)。因此，VCXO的調(diào)諧范圍與CL的值緊密相關(guān)。當(dāng)負(fù)載電容值較小時(shí)，VCXO的調(diào)諧范圍限制在上端；同樣，電容值較大時(shí)，調(diào)諧范圍將限制在下端。負(fù)載電容的適當(dāng)取值取決于VCXO的特性。例如，MAX9485設(shè)計(jì)中，為了均衡調(diào)諧范圍、調(diào)諧曲線中點(diǎn)、同時(shí)簡化電路板設(shè)計(jì)，我們選擇Ecliptek (ECX-5527-27) [2]具有14pf負(fù)載電容的27MHz晶體。使用這樣的晶體時(shí)，MAX9485具有±200ppm的牽引范圍，見圖3。應(yīng)該指出，封裝會(huì)導(dǎo)致晶體牽引范圍的差異。一般金屬殼封裝比表貼器件(SMD)的牽引范圍更大。但是近DAISHINKU Corp. [5]生產(chǎn)的一款新SMD晶體可達(dá)到與金屬殼晶體近似的牽引范圍。我們測試了這款SMD晶體(DSX530GA)，發(fā)現(xiàn)外接兩個(gè)4pf的并聯(lián)電容時(shí)可以實(shí)現(xiàn)±200ppm頻率牽引范圍，見圖4。

　　圖3.

　　圖4.

　　為了限制VCXO的調(diào)諧范圍，可通過改變外部并聯(lián)電容設(shè)置向上的調(diào)節(jié)范圍。并聯(lián)電容取值范圍為4ps至7ps，取決于電路板寄生電容。另一方面，向下的調(diào)節(jié)范圍取決于內(nèi)部變?nèi)荻O管值，不能由外部改變。為了降低寄生電容對向上頻率調(diào)節(jié)范圍的影響，在電路板布局中應(yīng)盡可能的減少晶體引腳對地的寄生電容，保證引腳與地層和電源層之間的清潔。詳細(xì)的電路板布局，請參考MAX9485評估板[4]。

　　測量輸出時(shí)鐘抖動(dòng)的設(shè)備

　　對振蕩器而言，抖動(dòng)是一個(gè)重要的性能參數(shù)。有兩個(gè)常用的抖動(dòng)定義：周期抖動(dòng)和周期間抖動(dòng)，詳細(xì)信息見圖5。為了測量抖動(dòng)，可用高速數(shù)字示波器采樣一批數(shù)據(jù)，按照定義計(jì)算抖動(dòng)。Tektronix公司的示波器(TDS 7254)或Lecroy公司的示波器(Wavepro 960)都提供了這類測量軟件。我們還可使用高速數(shù)字示波器在時(shí)域測量周期抖動(dòng)[3]。圖5為裝置圖。在時(shí)域中無法測量周期間抖動(dòng)。但是，如果每個(gè)周期的抖動(dòng)噪聲相互獨(dú)立并均勻分布，則周期間抖動(dòng)是周期抖動(dòng)的1.414倍。MAX9485能產(chǎn)生21種不同的輸出頻率，取決于不同的音頻采樣頻率和頻率比例因數(shù)。我們使用圖6所示設(shè)備測量了各種可能輸出的時(shí)鐘頻率的周期抖動(dòng)，表1為測量結(jié)果。

　　圖5. 輸出抖動(dòng)測量

　　圖6. 自觸發(fā)抖動(dòng)測量裝置

　  周期抖動(dòng)與輸出頻率 FOUT Scaling

　　Factor Fs JP (RMS)

　　(MHz)   (kHz) (ps) (UI)

　　73.728 768 96 21 0.00155

　　67.7376 768 88.2 23.2 0.00157

　　49.152 768 64 42.6 0.00209

　　36.864 768 48 40 0.00147

　　36.864 384 96 37 0.00136

　　33.8688 768 44.1 44 0.00149

　　33.8688 384 88.2 41.3 0.00140

　　24.5760 768 32 66 0.00162

　　24.5760 384 64 92 0.00226

　　24.5760 256 96 50 0.00123

　　22.5792 256 88.2 55.1 0.00124

　　18.4320 384 48 59 0.00109

　　16.9344 384 44.1 69 0.00117

　　16.3840 256 64 134 0.00220

　　12.2880 256 48 84.8 0.00104

　　12.2880 384 32 170 0.00209

　　11.2896 256 44.1 100 0.00113

　　9.126 768 12 106 0.00097

　　8.1920 256 32 250 0.00205

　　4.608 384 12 198 0.00091

　　3.072 256 12 324 0.00100

　　從表中可以看出，一般情況下，頻率越高、抖動(dòng)越低。但如果我們用相對參數(shù)描述抖動(dòng)，如單位間隔(UI)，見表的一列，則抖動(dòng)是可比擬的。此外，可以注意到輸出頻率36.864MHz、33.8688MHz、24.5760MHz和12.288MHz可通過不同的采樣頻率和比例因數(shù)實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致了不同的抖動(dòng)值。因此，當(dāng)使用這些頻率時(shí)，用戶可通過選擇不同的Fs和比例因數(shù)獲得抖動(dòng)。

　　歡迎轉(zhuǎn)載,信息來自維庫電子市場網(wǎng)（www.hbjingang.com）