由于溫補晶體振蕩器的英文全稱Temperature-compensated crystal oscillator比較長,因此業內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品設備身上,傳統的TCXO性能雖然也已經非常高了,但隨著現在產品功能,作用等各方面大幅度提高,傳統的TCXO振蕩器不再具有優勢.因此,近10年來國外許多廠家,都在研發新型的TCXO產品,目前高精密型的Super-TCXO振蕩器,是新生代中發展前景比較好的.

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

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字控制,用于頻率調諧.本應用筆記提供了有關這些精密Super-TCXO系列的DCO模式(數字控制振蕩器模式)的信息,這些系列通過I2C數字接口支持數字輸入.使用DCO模式,可以在指定的拉動范圍內連續拉動輸出頻率.拉出范圍可在系統內更改為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(必須選擇相應的器件編號選項).

表1:具有數字控制的SiTime Super-TCXO器件

*符合AEC-Q100標準

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

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用中的累積時間誤差.

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

3.更好的抗噪性-用于驅動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噪聲的影響.由于DCO的頻率控制是通過數字接口執行的,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的分數反饋分頻器實現,消除了有時與基于石英的VCXO相關的拉動非線性.更好的拉動范圍線性度改善了閉環操作中的動態性能.

5.可編程寬拉范圍-由于牽引機制是通過分數反饋分壓器實現的,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晶振數字控制振蕩器具有±6.25ppm至±3200ppm的16個頻率范圍選項,為系統設計人員提供了更大的靈活性.

運作理論:

圖1:數字控制振蕩器高級框圖

數字控制:

晶振在標稱工作頻率和由訂購代碼指定的拉動范圍內上電.上電后,可以通過數字接口寫入相應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新頻率.然后輸出頻率開始變化并穩定在Tsettle時間范圍內的最終頻率值的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:

2.將目標拉動值的分數乘以整個半刻度字值并舍入到最接近的整數:

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

4.從設備讀取Reg1值,因為它可能包含其他設置的控制位.

評估工具

SiT6722EB評估板(EVB)設計用于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下進行評估,以獲得最佳的信號完整性和頻率穩定性.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.