振荡器（Oscillator）你应该知道的基础知识
点击阅读原文，获取更多优质内容，请关注公众号--通信射频老兵：
一、前言
在选电子元件的时候，你可能先想到的是处理器或者其他系统核心部件。但时钟组件往往是最后才被考虑的——可时钟信号就像系统的“心跳”，所有信号都得靠它。
选这些关键时钟组件看着好像挺简单，其实有不少影响系统性能的因素得琢磨。那最重要的规格和注意事项有哪些呢？下面就说说振荡器最重要的基础参数和它们为啥重要。
二、频率（Frequency）
1、定义：
任何振荡器最基本的参数是频率，即振荡器输出信号的重复速率（周期），以赫兹（Hz，即每秒周期数）为单位。
图1. 振荡器以及输出波形
2、应用：
- 振荡器的频率范围特别广，低的能到1Hz（适合低功耗设备用），高的能达到725MHz。
- 在这个范围内，频率能通过编程做到6位小数的精度。按需求设定自定义频率，能让系统性能更好。
- 频率编程有几种方式：可以在工厂提前编好，也能让核心分销商来编，要是小批量的话，还能在客户实验室用振荡器编程器来编。
三、频率稳定性
1、定义：
频率稳定性是振荡器的核心性能指标，通常以百万分比（ppm）或十亿分比（ppb）表示，基于标称输出频率计算。
例如——若一个石英振荡器的输出频率为1MHz（1000000Hz），频率稳定性为5ppm，则其频率变化量为5Hz。
稳定容差也可以用频率偏差的百分比表示，而不是百万分比（ppm）。
- 0.01% = 100ppm
- 0.005% = 50ppm
- 0.001% = 10ppm
- 0.0001% = 1ppm
2、意义：
- 它表示输出频率因外部条件偏离理想值的程度，数值越小则性能越好。
图2. 实际和理想振荡器的输出频率
- 不同振荡器类别的“外部条件”定义可能不同，但通常包括：
- 温度变化和25°C初始偏移；
- 频率老化（随时间的漂移）；
- 焊接后的频率偏移；
- 电源电压变化和输出负载变化等电气条件。
四、抖动与相位噪声
除了频率稳定性，相位噪声和它在时域的对应指标抖动，通常被看作是振荡器最重要的特性。这俩对系统性能影响挺大的，比如会影响串行数据系统里的误码率（BER）。其实它们是量化时钟信号噪声的两种方式：相位噪声是在频域衡量时钟噪声，抖动则是在时域看噪声对时钟的影响。
图3. Jitter示意图
图4：实际振荡器中相位波动的图形（左侧）理想振荡器信号及其频谱（右侧）
因为抖动和相位噪声是系统定时误差的主要原因，所以评估总定时预算时必须把时钟噪声考虑进去。但这事情没那么简单——不同振荡器厂商对抖动的定义和测量方法不一样，而且抖动要求也跟着应用场景变，不仅有周期抖动、周期间抖动等多种类型，频域测量里还有不同的积分范围（像集成相位抖动）。
五、输出信号形式
芯片厂商可能会规定时序芯片需要的输出信号模式，也可能让系统设计者自己选。输出类型主要有两种：单端的或者差分的。
1、单端振荡器
- 单端输出成本低还容易实现，但也有局限。它对电路板上的噪声比较敏感，所以一般更适合频率低于166MHz的场景。LVCMOS是最常见的单端输出类型，信号摆幅能达到0-VDD。
- 有些振荡器还带NanoDrive输出，跟LVCMOS类似，但输出摆幅可以通过编程调低到200mV，这样既能匹配下游芯片的输入需求，又能降低功耗。
2、差分信号
- 差分输出成本高一些，但性能更好，适合高频场景。因为差分走线能抑制共模噪声，这种模式对外界噪声不敏感，还能减少抖动和EMI。
- 最常用的差分信号类型有LVPECL、LVDS和HCSL。
图5. 差分输出振荡器
六、电源电压
电源电压是振荡器工作需要的输入功率，通过VDD引脚供电。
- 单端振荡器的标准电压有1.8V、2.5V和3.3V；现在的差分振荡器电压一般在2.5V到3.3V之间。
- 还有些振荡器能在低至1.2V的电压下工作，适合用纽扣电池、超级电容备用电源这类稳压供电的情况。
- 大多数振荡器系列的电源电压可以通过编程设置，这样就不用额外加电平转换器或者稳压器之类的外部元件了。
七、电源电流
电源电流指的是振荡器的最大工作电流，通常在最大（有时候是标称）电源电压下用µA或者mA来测量，典型的电源电流值是在无负载的情况下测出来的。
八、工作温度
工作温度范围指设备预期运行并符合数据手册规格的环境温度。常见温度范围如下：
- 商用、汽车4级：0°C至70°C
- 扩展商用：-20°C至70°C
- 工业、汽车3级：-40°C至85°C
- 扩展工业、汽车2级：-40°C至105°C
- 汽车1级：-40°C至125°C
- 军用：-55°C至125°C
- 汽车0级：-40°C至150°C
九、封装
振荡器一般用金属、陶瓷或者塑料来封装，还有多种符合行业标准的封装尺寸。不同厂家的焊盘（引脚）排列可能不一样，但整体的x-y尺寸是统一的。单端振荡器（一般是4引脚）常见的封装尺寸有这些，差分振荡器（6引脚）通常用更大的封装（像3225、5032、7050）：
- 2016：2.0 x 1.6mm
- 2520：2.5 x 2.0mm
- 3225：3.2 x 2.5mm
- 5032：5.0 x 3.2mm
- 7050：7.0 x 5.0mm
有些特殊的振荡器，比如OCXO恒温晶体振荡器，用的封装更大，常见尺寸是25.4x25.4mm，也有从9.7x7.5mm到135x72mm不等的。
除了标准封装，还有这些特殊封装：
- 1508芯片级封装（CSP）：尺寸只有1.5x0.8毫米，是现在比较小的振荡器封装。
- 带引脚的SOT23-5封装：适合对电路板可靠性要求高，而且组装时需要目视检查的情况。
图6. 不同尺寸的振荡器
部分特殊振荡器（如OCXO恒温晶体振荡器）采用尺寸更大的封装，常见尺寸为25.4x25.4mm，其范围可从9.7x7.5mm至135x72mm不等。
十、其他参数
上述八个参数是选择振荡器时最常用的考量因素。但根据应用场景不同，还有许多其他重要特性需要考虑，包括：
- EMI抑制功能
- 频率微调的牵引范围选项
- 启动时间
- 质量/可靠性指标（Q值、DPPM失效率、MTBF平均无故障时间、FIT故障率）
对于高性能应用，除了基本频率稳定性外，还需考虑许多与稳定性相关的附加规格，包括：
- 频率老化
- 频率-温度斜率（ΔF/ΔT）
- 热滞后
- Allan偏差
- Hadamard方差
- 保持特性
- 回扫误差
总结：
选振荡器的时候，得把频率、频率稳定性、抖动和相位噪声、输出信号类型、电源电压和电流、工作温度、封装这些关键参数都考虑全面。这些参数直接影响振荡器的性能和系统的稳定性，得根据具体的使用场景和需求来权衡。要是用于高性能场景，还得留意频率老化、Allan偏差这些额外的稳定性指标，这样才能保证系统长期稳定运行。所以说，合理挑选振荡器是让电子系统高效稳定工作的关键一步。
往期高分文章回顾，总有一篇能帮助到你：
射频相关知识：
射频基础知识---VSWR、Return Loss和Mismatch Loss概念回顾
收发信机相关知识：
ADC/DAC相关知识：
一文讲透什么是ADC/DAC中的DDC、DUC、采样率以及数据率等概念
功放PA相关知识：
射频基础知识---浅谈为什么Doherty结构能提高PA的效率
"5G时代的功率放大器革新：揭秘氮化镓GAN如何引领高效通信"
串行通信相关知识：
时钟系统相关知识：
基站相关知识：
数字信号处理相关知识：
链路预算相关知识
通信相关知识
通信人物传记---菲利普・史密斯：从业余无线电操作员到史密斯圆图的创造者
天线相关知识
案例分析
信号完整性相关
卫星通信相关知识：
智能硬件社区聚焦AI智能硬件技术生态，汇聚嵌入式AI、物联网硬件开发者，打造交流分享平台，同步全国赛事资讯、开展 OPC 核心人才招募，助力技术落地与开发者成长。
更多推荐
32
0- 0
已为社区贡献3条内容
所有评论(0)