由于溫補晶體振蕩器的英文全稱Temperature-compensated crystal oscillator比較長,因此業(yè)內(nèi)和用戶都是直接簡稱TCXO振蕩器,這是一種具有多種溫度補償方法的振蕩器系列.通常是用于對精準性要求高的產(chǎn)品設(shè)備身上,傳統(tǒng)的TCXO性能雖然也已經(jīng)非常高了,但隨著現(xiàn)在產(chǎn)品功能,作用等各方面大幅度提高,傳統(tǒng)的TCXO振蕩器不再具有優(yōu)勢.因此,近10年來國外許多廠家,都在研發(fā)新型的TCXO產(chǎn)品,目前高精密型的Super-TCXO振蕩器,是新生代中發(fā)展前景比較好的.

歷史上,通過使用電壓輸入拉動頻率已經(jīng)實現(xiàn)了頻率調(diào)諧.這種類型的頻率控制設(shè)備稱為VCXO(壓控振蕩器).大量TCXO(溫補晶體振蕩器)應(yīng)用在操作期間使用電壓控制功能進行頻率調(diào)諧.這些設(shè)備通常稱為VC-TCXO或TC-VCXO.調(diào)諧頻率的另一種方法是使用數(shù)字輸入.

表1中列出的幾個SiTime Elite Platform Super-TCXO溫補晶振系列提供電壓控制和數(shù)字控制,用于頻率調(diào)諧.本應(yīng)用筆記提供了有關(guān)這些精密Super-TCXO系列的DCO模式(數(shù)字控制振蕩器模式)的信息,這些系列通過I2C數(shù)字接口支持數(shù)字輸入.使用DCO模式,可以在指定的拉動范圍內(nèi)連續(xù)拉動輸出頻率.拉出范圍可在系統(tǒng)內(nèi)更改為16個可用拉伸范圍選項之一,范圍為±6.25至±3200.此外,DCO模式允許用戶通過寫入器件的寄存器來控制器件的輸出使能(OE)狀態(tài)(必須選擇相應(yīng)的器件編號選項).

表1:具有數(shù)字控制的SiTime Super-TCXO器件

*符合AEC-Q100標準

與電壓控制相比,DCO模式具有多種優(yōu)勢,包括通過消除DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)和縮小PCB面積(如果使用外部DAC)來降低BOM成本,簡化設(shè)計,提高靈活性,增強抗噪性,以及提高了系統(tǒng)性能.

1.頻率控制分辨率低至5E-12-這種高分辨率可最大限度地減少同步應(yīng)用中的累積時間誤差.

2.降低系統(tǒng)成本-傳統(tǒng)VCXO振蕩器需要DAC來驅(qū)動控制電壓輸入.在DCO中,通過使用串行接口寫入控制寄存器來實現(xiàn)數(shù)字頻率控制,無需DAC.

3.更好的抗噪性-用于驅(qū)動VCXO電壓引腳的模擬信號可能對噪聲敏感,信號路由的走線很容易受到系統(tǒng)噪聲的影響.由于DCO的頻率控制是通過數(shù)字接口執(zhí)行的,因此它們不會受到模擬噪聲耦合的影響.

4.無頻率牽引非線性-頻率牽引通過PLL的分數(shù)反饋分頻器實現(xiàn),消除了有時與基于石英的VCXO相關(guān)的拉動非線性.更好的拉動范圍線性度改善了閉環(huán)操作中的動態(tài)性能.

5.可編程寬拉范圍-由于牽引機制是通過分數(shù)反饋分壓器實現(xiàn)的,因此不受基于石英的解決方案中的諧振器可拉性的限制.SiTime晶振數(shù)字控制振蕩器具有±6.25ppm至±3200ppm的16個頻率范圍選項,為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了更大的靈活性.

運作理論:

圖1:數(shù)字控制振蕩器高級框圖

數(shù)字控制:

晶振在標稱工作頻率和由訂購代碼指定的拉動范圍內(nèi)上電.上電后,可以通過數(shù)字接口寫入相應(yīng)的控制寄存器來控制拉出范圍和輸出頻率.最大輸出頻率變化受拉動范圍限制的約束.拉伸范圍以峰-峰偏差的一半的形式指定(例如±100ppm,峰-峰值為200ppm).拉動范圍由加載到數(shù)字拉動范圍控制寄存器(Reg2[3:0])的值指定.控制寄存器中記錄了16種拉動范圍選擇,范圍為±6.25ppm至±3200ppm.下表顯示了頻率分辨率與拉出范圍編程值以及相應(yīng)的編程代碼.

表2:頻率分辨率與拉動范圍

頻率偏移(以ppm為單位)由26位DCO頻率控制寄存器以二進制補碼格式指定.上電默認值為00000000000000000000000000b,它將輸出頻率設(shè)置為其標稱值(0ppm).要更改輸出頻率,將頻率控制字寫入Reg0[15:0](最低有效字,LSW)和Reg1[9:0](最高有效字,MSW).應(yīng)首先寫入LSW值,然后寫入MSW值;寫入MSW值后啟動頻率變化.在寫入MSW拉出值之后,控制邏輯在Tdelay時間幀期間改變反饋分頻器值以適應(yīng)新頻率.然后輸出頻率開始變化并穩(wěn)定在Tsettle時間范圍內(nèi)的最終頻率值的1％(見圖2).

圖2:頻率牽引時序圖

溫補晶振頻率變化期間不禁用設(shè)備輸出.因此,如果啟用了軟件輸出啟用(OE)控制功能,則用戶可以在頻率更改期間手動禁用輸出.

附加功能:

在將包含OE位的控制字寫入器件后,在Tenable/Tdisable時間內(nèi)啟用/禁用輸出.

圖3:輸出啟用/禁用時序圖

頻率牽引:

以下是SiTime數(shù)控振蕩器的頻率牽引程序:

1.計算相對于拉動范圍(pullRange)的目標拉動值(targetPull)的分數(shù):

2.將目標拉動值的分數(shù)乘以整個半刻度字值并舍入到最接近的整數(shù):

3.將步驟2的結(jié)果轉(zhuǎn)換為二進制補碼(pullControlWordBin).

4.從設(shè)備讀取Reg1值,因為它可能包含其他設(shè)置的控制位.

評估工具

SiT6722EB評估板(EVB)設(shè)計用于SiTimeTCXO.它支持5.0x3.2mm10引腳陶瓷封裝.此EVB使用戶能夠評估TCXO石英晶振設(shè)備的所有方面

包括通過I2C接口的信號完整性,相位噪聲,相位抖動和輸出頻率數(shù)字控制.

EVB特點:

-支持所有三種Super-TCXO溫補晶振配置模式:TCXO,VCTCXO和DCTCXO

-頻率測量的探測點

-通過I2控制輸出頻率的連接器訪問

C界面

-電流測量連接器

SiTime通常使用SiTime推薦的回流溫度曲線安裝Super-TCXO的EVB.Super-TCXO石英晶體振蕩器只能在其原始焊接狀態(tài)下進行評估,以獲得最佳的信號完整性和頻率穩(wěn)定性.如果將其去焊,然后手動或通過回流工藝再次焊接,則不保證器件性能.