由于温补晶体振荡器的英文全称Temperature-compensated crystal oscillator比较长,因此业内和用户都是直接简称TCXO振荡器,这是一种具有多种温度补偿方法的振荡器系列.通常是用于对精准性要求高的产品设备身上,传统的TCXO性能虽然也已经非常高了,但随着现在产品功能,作用等各方面大幅度提高,传统的TCXO振荡器不再具有优势.因此,近10年来国外许多厂家,都在研发新型的TCXO产品,目前高精密型的Super-TCXO振荡器,是新生代中发展前景比较好的.

历史上,通过使用电压输入拉动频率已经实现了频率调谐.这种类型的频率控制设备称为VCXO(压控振荡器).大量TCXO(温补晶体振荡器)应用在操作期间使用电压控制功能进行频率调谐.这些设备通常称为VC-TCXO或TC-VCXO.调谐频率的另一种方法是使用数字输入.

表1中列出的几个SiTime Elite Platform Super-TCXO温补晶振系列提供电压控制和数字控制,用于频率调谐.本应用笔记提供了有关这些精密Super-TCXO系列的DCO模式(数字控制振荡器模式)的信息,这些系列通过I2C数字接口支持数字输入.使用DCO模式,可以在指定的拉动范围内连续拉动输出频率.拉出范围可在系统内更改为16个可用拉伸范围选项之一,范围为±6.25至±3200.此外,DCO模式允许用户通过写入器件的寄存器来控制器件的输出使能(OE)状态(必须选择相应的器件编号选项).

表1:具有数字控制的SiTime Super-TCXO器件

*符合AEC-Q100标准

与电压控制相比,DCO模式具有多种优势,包括通过消除DAC(数模转换器)和缩小PCB面积(如果使用外部DAC)来降低BOM成本,简化设计,提高灵活性,增强抗噪性,以及提高了系统性能.

1.频率控制分辨率低至5E-12-这种高分辨率可最大限度地减少同步应用中的累积时间误差.

2.降低系统成本-传统VCXO振荡器需要DAC来驱动控制电压输入.在DCO中,通过使用串行接口写入控制寄存器来实现数字频率控制,无需DAC.

3.更好的抗噪性-用于驱动VCXO电压引脚的模拟信号可能对噪声敏感,信号路由的走线很容易受到系统噪声的影响.由于DCO的频率控制是通过数字接口执行的,因此它们不会受到模拟噪声耦合的影响.

4.无频率牵引非线性-频率牵引通过PLL的分数反馈分频器实现,消除了有时与基于石英的VCXO相关的拉动非线性.更好的拉动范围线性度改善了闭环操作中的动态性能.

5.可编程宽拉范围-由于牵引机制是通过分数反馈分压器实现的,因此不受基于石英的解决方案中的谐振器可拉性的限制.SiTime晶振数字控制振荡器具有±6.25ppm至±3200ppm的16个频率范围选项,为系统设计人员提供了更大的灵活性.

运作理论:

图1:数字控制振荡器高级框图

数字控制:

晶振在标称工作频率和由订购代码指定的拉动范围内上电.上电后,可以通过数字接口写入相应的控制寄存器来控制拉出范围和输出频率.最大输出频率变化受拉动范围限制的约束.拉伸范围以峰-峰偏差的一半的形式指定(例如±100ppm,峰-峰值为200ppm).拉动范围由加载到数字拉动范围控制寄存器(Reg2[3:0])的值指定.控制寄存器中记录了16种拉动范围选择,范围为±6.25ppm至±3200ppm.下表显示了频率分辨率与拉出范围编程值以及相应的编程代码.

表2:频率分辨率与拉动范围

频率偏移(以ppm为单位)由26位DCO频率控制寄存器以二进制补码格式指定.上电默认值为00000000000000000000000000b,它将输出频率设置为其标称值(0ppm).要更改输出频率,将频率控制字写入Reg0[15:0](最低有效字,LSW)和Reg1[9:0](最高有效字,MSW).应首先写入LSW值,然后写入MSW值;写入MSW值后启动频率变化.在写入MSW拉出值之后,控制逻辑在Tdelay时间帧期间改变反馈分频器值以适应新频率.然后输出频率开始变化并稳定在Tsettle时间范围内的最终频率值的1％(见图2).

图2:频率牵引时序图

温补晶振频率变化期间不禁用设备输出.因此,如果启用了软件输出启用(OE)控制功能,则用户可以在频率更改期间手动禁用输出.

附加功能:

在将包含OE位的控制字写入器件后,在Tenable/Tdisable时间内启用/禁用输出.

图3:输出启用/禁用时序图

频率牵引:

以下是SiTime数控振荡器的频率牵引程序:

1.计算相对于拉动范围(pullRange)的目标拉动值(targetPull)的分数:

2.将目标拉动值的分数乘以整个半刻度字值并舍入到最接近的整数:

3.将步骤2的结果转换为二进制补码(pullControlWordBin).

4.从设备读取Reg1值,因为它可能包含其他设置的控制位.

评估工具

SiT6722EB评估板(EVB)设计用于SiTimeTCXO.它支持5.0x3.2mm10引脚陶瓷封装.此EVB使用户能够评估TCXO石英晶振设备的所有方面

包括通过I2C接口的信号完整性,相位噪声,相位抖动和输出频率数字控制.

EVB特点:

-支持所有三种Super-TCXO温补晶振配置模式:TCXO,VCTCXO和DCTCXO

-频率测量的探测点

-通过I2控制输出频率的连接器访问

C界面

-电流测量连接器

SiTime通常使用SiTime推荐的回流温度曲线安装Super-TCXO的EVB.Super-TCXO石英晶体振荡器只能在其原始焊接状态下进行评估,以获得最佳的信号完整性和频率稳定性.如果将其去焊,然后手动或通过回流工艺再次焊接,则不保证器件性能.