使用VCXO (压控晶体振荡器)作为时钟(CLK)发生器

摘要：“VCXO” (压控晶体振荡器)是由晶体决定振荡频率的振荡器，可用控制电压在小范围内进行频率调整。VCXO时钟(CLK)发生器已在多种系统中得到应用，如数字电视，数字音频，ADSL和STB。此应用笔记介绍VCXO CLK发生器的结构，关键参数测量，PCB设计指南，以及对一个应用于MPEG2和AC-3音频设备的VCXO CLK发生器MAX9485的测试结果。

VCXO CLK发生器的结构和应用“VCXO”，即压控晶体振荡器，其振荡频率由晶体决定，但可用控制电压在小范围内对频率进行调整，控制电压范围一般为0V至2V或0V至3V。VCXO的调谐范围为±100ppm至±200ppm。图1为一个典型VCXO CLK发生器的结构和晶振电路模型。


图1. 典型VCXO CLK发生器的结构图

变容二极管CV1和CV2的容值变化会影响到晶振模型，从而改变振荡频率。两个外接并联电容CS1和CS2用来调整谐振范围和中心频率的偏移。按照图1所示的晶振电路，谐振频率可用下式表示：



其中CL是由CV1，2和CS1，2决定的等效负载电容。可准确地表示为：CL = (CV1+CS1) || (CV2 + CS2)。取一阶近似并考虑到C1 << C0和CL，可得到fC的频率增量。



图2为CS1 = CS2时，fC随CS1值变化的典型曲线图。


图2. VCXO频率与并联电容CS1 (CS1=CS2)

利用这一微调特性，可使用VCXO和PLL构成一个具有微调特性的CLK发生器。

VCXO CLK已经在多种系统中得到应用，如数字电视，数字音频，ADSL和STB。Maxim的MAX9485就是这样一款CLK发生器芯片，专为MPEG-2和杜比数字音频(AC-3)应用设计[1]，它几乎可以提供数字音频到模拟转换所采用的所有频率，支持从12kHz到96kHz的采样频率。 Maxim还为其它应用设计了各种VCXO CLK发生器。

VCXO CLK发生器的关键参数有许多参数用来描述VCXO CLK发生器。其中最重要的是调谐电压范围、中心频率、牵引范围以及时钟输出抖动。

调谐电压范围为VCXO控制电压的变化范围，此电压控制变容二极管的电容。通常为0V至2V或3V。中心频率为VCXO输出频率范围的中点。牵引范围为变化频率(增大或减少)与中心频率的比值。此比值一般用ppm表示(百万分之一)，代表VCXO的相对频率牵引范围。通常牵引范围大约为100ppm至200ppm，取决于VCXO的结构和所选择的晶体。

时钟抖动是CLK发生器的一个重要参数，有多种关于抖动的定义。两个最常用的抖动参数称为“周期”抖动和“周期间”抖动，我们将在第四节详细讨论这些问题。抖动取决于CLK发生器的结构，芯片之间会有差异，不同的应用对抖动的要求也不相同。

晶体选择和电路板设计晶体的选择和PCB布局会对VCXO CLK发生器的性能参数产生一定的影响。选择晶体时，除了频率、封装、精度和工作温度范围，在VCXO应用中还应注意等效串联电阻和负载电容。串联电阻导致晶体的功耗增大。阻值越低，振荡器越容易起振。负载电容是晶体的一个重要参数，首先，它决定了晶体的谐振频率。一般晶体的标称频率指的是其并联指定负载电容后的谐振频率。应当指出，此处的标称频率是当CL等于指定负载电容时利用公式(1)计算出的值，但不是利用计算出的值1/(2 π √L1C1)。因此，VCXO的调谐范围与CL的值紧密相关。当负载电容值较小时，VCXO的调谐范围限制在上端；同样，电容值较大时，调谐范围将限制在下端。负载电容的适当取值取决于VCXO的特性。例如，MAX9485设计中，为了均衡调谐范围、调谐曲线中点、同时简化电路板设计，我们选择Ecliptek (ECX-5527-27) [2]具有14pf负载电容的27MHz晶体。使用这样的晶体时，MAX9485具有±200ppm的牵引范围，见图3。应该指出，封装会导致晶体牵引范围的差异。一般金属壳封装比表贴器件(SMD)的牵引范围更大。但是最近DAISHINKU Corp. [5]生产的一款新SMD晶体可达到与金属壳晶体近似的牵引范围。我们测试了这款SMD晶体(DSX530GA)，发现外接两个4pf的并联电容时可以实现±200ppm频率牵引范围，见图4。


图3.


图4.

为了限制VCXO的调谐范围，可通过改变外部并联电容设置向上的调节范围。并联电容取值范围为4ps至7ps，取决于电路板寄生电容。另一方面，向下的调节范围取决于内部变容二极管值，不能由外部改变。为了降低寄生电容对向上频率调节范围的影响，在电路板布局中应尽可能的减少晶体引脚对地的寄生电容，保证引脚与地层和电源层之间的清洁。详细的电路板布局，请参考MAX9485评估板[4]。

测量输出时钟抖动的设备对振荡器而言，抖动是一个重要的性能参数。有两个最常用的抖动定义：周期抖动和周期间抖动，详细信息见图5。为了测量抖动，可用高速数字示波器采样一批数据，按照定义计算抖动。Tektronix公司的示波器(TDS 7254)或Lecroy公司的示波器(Wavepro 960)都提供了这类测量软件。我们还可使用高速数字示波器在时域测量周期抖动[3]。图5为装置图。在时域中无法测量周期间抖动。但是，如果每个周期的抖动噪声相互独立并均匀分布，则周期间抖动是周期抖动的1.414倍。MAX9485能产生21种不同的输出频率，取决于不同的音频采样频率和频率比例因数。我们使用图6所示设备测量了各种可能输出的时钟频率的周期抖动，表1为测量结果。


图5. 输出抖动测量


图6. 自触发抖动测量装置

表1. 周期抖动与输出频率 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
从表中可以看出，一般情况下，频率越高、抖动越低。但如果我们用相对参数描述抖动，如单位间隔(UI)，见表的最后一列，则抖动是可比拟的。此外，可以注意到输出频率36.864MHz、33.8688MHz、24.5760MHz和12.288MHz可通过不同的采样频率和比例因数实现，这导致了不同的抖动值。因此，当使用这些频率时，用户可通过选择不同的Fs和比例因数获得最低抖动。