使用更小元件获得更快速响应 - 全文

 

　　与电子产品中的所有其他元件一样，产品设计人员总是希望振荡器同时具备体积更小、速度更快，并且更加便宜的优点。对于网络和移动应用，终端应用的要求接近于振荡器性能范围的极限，生产工艺正在不断演进以期跟上这一要求。

　　这不仅仅是让振荡器自身工作“更快”的案例(在参考频率较高时，情况如此)。其实，需要的是振荡器在给定频率条件下具备噪声更低和抖动更小的优良性能。这样，抖动问题就不会在目标频率高出很多的应用中被放大，例如，10Gb以太网的频率控制应用。在移动应用方面，仍然是在所有性能特性与最终元件封装尺寸及功耗之间进行平衡。

　　

 

　　图1 为了克服更高传输速度引起噪声增加的问题而开发的振荡器

　　更高速网络=更高需求

　　对于网络应用，常规传输速度已经从1Gb以太网呈指数性增长到10Gb以太网(更高速率网络仍然在开发之中)，人们优先关注的前3个问题为噪声、噪声还是噪声(见图1)。传输速度越高，噪声容限要求就越严格，因为振荡器固有噪声水平随着振荡器参考频率的增加而增加，以匹配网络传输频率。

　　如果电路中的噪声水平较高，将会导致器件的比特误差率升高，造成数据包的丢失增加，影响总体系统性能。

　　对于1Gb以太网应用，1ps的相位抖动属于正常。现在，10Gb以太网络的设计人员则希望获得0.5或0.3ps的性能。经重新设计的振荡器架构不断演进，以期缓解这方面的压力，并满足下一代网络的要求。

　　在网络领域中满足频率控制要求的一种发展趋势，是提供针对多级别网络应用独特参考频率而配置和设定的专用振荡器设计(见图2)。这些设计包括用于光纤通道和以太网数据传输网络、SONET光纤网络以及SATA、SCSI或串行连接SCSI驱动器的单独选项。

　　

 

　　图2用于1Gb以太网和10Gb以太网应用的XpressO等专用振荡器

　　由于在业界这些应用的要求均有详细的描述，厂商专门针对预设参考频率和应用匹配的抖动性能而设计和构建振荡器，这可让网络设备制造商更方便地选定和采购所需的解决方案，最大限度地减少工作量和交货时间。

　　更高的移动性需求更多的灵活性

　　越来越小的元件满足了频率控制解决方案对更低功耗的要求，这些方案为从个人通信设备到汽车GPS系统的所有应用提供至关重要的定时功能。

　　对于每克电池重量都很关键的手持式设备，振荡器设计方面的改进已要求将输入电流从15～20mA降低到2mA或3mA，待机电流减小至5μA。这些器件采用小至2.5mm×2.0mm封装，在1MHz到高于50MHz的频率下，可为电子装置设计人员提供20×10-6或更好的频率稳定性。

　　振荡器在这些频率范围的特性能够满足众多便携和电池供电装置的需求，包括卫星或地面无线电、GPS和WiMAX、802.11，或蓝牙无线(见图3)。由于具备低功耗带来的低散热特性，这些振荡器尤其适合具有最少空气循环的应用，如紧凑型消费电子产品和防风雨外壳等。

　　

 

　　图3 不断演进的技术使得小型、便携、电池供电产品(如电子阅读器)的需求大幅增长

　　但是，在许多更严苛的应用中，抗冲击、抗震动及更宽的温度范围与产品尺寸或功耗同样至关重要。对于这些应用，在振荡器配置无法达到所需的耐久性水平的场合，具备抗震动性能的汽车等级晶体振荡器可以提供精确的定时功能，这些满足无源元件AEC-Q200应力测试要求的晶体振荡器采用2.5mm×2.0mm封装，参考频率为50MHz，工作温度范围为-40～+125℃。

　　这类汽车等级晶体振荡器用于从导航系统到高端音频及视频系统、碰撞警告系统、防抱死刹车系统(ABS)控制和其他车载计算机系统的应用中。除汽车应用外，重型施工设备中的GPS导航系统亦可采用相同的汽车等级晶体振荡器。

　　用于工业环境的移动电子产品也采用这类的汽车等级晶体振荡器，在这些应用中设备使用比较粗犷，在坚硬表面上碰撞、摔落的可能性很高。这些应用包括无线仪表读数装置、包裹投送业务中使用的数据装置以及用于库房存货管理系统的便携式条码扫描仪。

　　振荡器技术：不断改进，以期满足快速变化的要求

　　近些年，在许多应用领域中曾经存在的振荡器性能与噪声与交货时间之间的矛盾已经得到缓解，一个重要因素是业界采用了模块化构件架构。

　　这项技术使用特殊电路以补足普通晶体振荡器的不足，提供具有所需降噪性能的特殊的参考频率。应用了数个fractional-N锁相环(PLL)中的一个，并使用第三级Δ-Σ(delta-sigma)调制技术，通过在更宽频带上分散杂散波的方式来降低杂散波的整体幅值。通过结合这些特点和专用集成电路(ASIC)，这种模块方式能够带来噪声及抖动较小的精确定时性能。

　　该技术最佳之处在于其性能指标满足了设备制造商缩短元件交货时间和降低成本的更高要求。最新一代技术有望降低抖动(0.3～0.5ps范围)、频率范围扩展至1.5GHz，电压降至1.8V，并且具有满足OC-192要求的更低相位噪声。

　　减小尺寸、提高速度仍然是整个电子业的普遍要求，晶体振荡器制造商继续开发新技术，以期满足业界的性能要求，提供交付时间更短，成本更低的解决方案。