晶振是怎么產(chǎn)生時鐘信號的？

作者： 揚(yáng)興晶振 日期：2022-01-07 瀏覽量：

  定時元件是電子產(chǎn)品中最普遍的元件之一。幾乎所有復(fù)雜的設(shè)計(jì)都需要它們，如果沒有它們，我們所有的電子產(chǎn)品都無法工作。為什么時鐘在數(shù)字電路中如此重要，來一探究竟!

  什么是時鐘信號?

  我們可以將時鐘信號定義為在高電平和低電平之間振蕩的特定類型的信號。信號就像一個節(jié)拍器，數(shù)字電路及時跟隨它以協(xié)調(diào)其動作序列。數(shù)字電路依靠時鐘信號來了解何時以及如何執(zhí)行編程的功能。

  如果設(shè)計(jì)中的時鐘就像動物的心臟，那么時鐘信號就是使系統(tǒng)保持運(yùn)動的心跳。

  時鐘信號是如何產(chǎn)生的?

  產(chǎn)生時鐘信號的方法有很多種，但它們都是從晶體諧振器開始的。 晶體諧振器通常稱為晶體，為了工作，晶體與放大器電路結(jié)合以向晶體附近或晶體上的電極施加電壓。

  石英晶體是石英的一個細(xì)縫，兩個表面均已金屬化并通過電連接連接。精確切割石英晶體的物理尺寸和形狀非常重要，因?yàn)檫@決定了晶體產(chǎn)生的振蕩頻率。一旦晶體被切割和成型，它就不能在任何其他頻率下使用。

  石英晶體更常用，因?yàn)槭⒕w產(chǎn)生的頻率更能抵抗溫度變化。如果改用內(nèi)部 RC 諧振器，溫度變化會影響振蕩器的行為，從而導(dǎo)致輸出頻率發(fā)生變化。

  晶體振蕩器

  晶振具有正弦輸出，通常在目標(biāo) IC 具有用于內(nèi)部定時的集成振蕩器和片上鎖相環(huán) (PLL) 時使用。當(dāng)晶體和振蕩電路組合在同一封裝中時，通常稱為晶體振蕩器。

  這種石英壓電振蕩器輸出可用的振蕩信號，最常見的是占空比為 50% 的方波。通常，該時鐘信號固定在恒定頻率，同步可能在每個時鐘周期的上升沿或下降沿激活。

  時鐘發(fā)生器

  時鐘發(fā)生器將振蕩器與一個或多個 PLL、輸出分頻器和輸出緩沖器組合在一起。當(dāng)需要多個頻率并且目標(biāo) IC 都在同一塊板或同一 FPGA 中時，時鐘發(fā)生器和時鐘緩沖器非常有用。在某些應(yīng)用中，F(xiàn)PGA/ASIC 具有用于數(shù)據(jù)路徑、控制平面和存儲器控制器接口的多個時域，因此需要多個唯一的參考頻率。

  在大多數(shù)情況下，振蕩器位于時鐘發(fā)生器的外部，盡管為了整合物料清單成本和復(fù)雜性以及其他優(yōu)勢，將振蕩器組合到與時鐘發(fā)生器相同的封裝中變得越來越普遍。有許多不同類型的時鐘發(fā)生器，每種都針對不同的性能和成本目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，具體取決于應(yīng)用。

  同步和自由運(yùn)行的設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)及其各種子系統(tǒng)的組合可能需要自由運(yùn)行或同步的時序架構(gòu)。

  如果系統(tǒng)是自由運(yùn)行的，則無需任何特殊鎖相或同步要求即可使用獨(dú)立時鐘。示例包括標(biāo)準(zhǔn)處理器、內(nèi)存控制器、SoC 和外圍組件(例如，USB、PCI Express 開關(guān))。

  每個人都熟悉的復(fù)雜 IC 的一個例子是微控制器。微控制器依靠來自晶體振蕩器的時鐘來運(yùn)行，但在異步電路中使用時除外，例如在異步 CPU 的情況下。大多數(shù)常見的微控制器都包含一個內(nèi)部 RC 振蕩器，它足以用于 UART 通信之類的事情，盡管外部晶體振蕩器對于 USB 或以太網(wǎng)等其他類型的通信是必要的。

  相反，同步定時系統(tǒng)需要跨所有相關(guān)系統(tǒng)的持續(xù)通信和網(wǎng)絡(luò)級同步。在這些應(yīng)用中，基于低帶寬 PLL 的時鐘提供抖動過濾，以確保保持網(wǎng)絡(luò)級同步。例如，將所有 SerDes(串行化-解串化)參考時鐘同步到高度準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)參考時鐘(例如，Stratum 3 或 GPS)可保證所有系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的同步。

  同步時鐘樹的示例包括光傳輸網(wǎng)絡(luò) (OTN)、SONET/SDH、移動回程、同步以太網(wǎng)和 HD SDI 視頻傳輸。但是，除了通信之外，還有各種應(yīng)用需要準(zhǔn)確的頻率或定時。一些應(yīng)用程序需要兩個互不連接的子系統(tǒng)之間的長期同步。如果用作實(shí)時時鐘基礎(chǔ)的振蕩器僅偏離 0.1%，一周后時鐘將偏離近 10 分鐘?？赡苓€需要長期準(zhǔn)確性，而不必知道實(shí)時情況。

  例如，假設(shè)使用幾個藍(lán)牙模塊每小時喚醒一次以交換數(shù)據(jù)幾秒鐘，然后再回到睡眠狀態(tài)，以節(jié)省電池電量。標(biāo)準(zhǔn)的 20ppm 振蕩器每小時僅會關(guān)閉幾分之一秒，而 1% RC 諧振器可能會關(guān)閉半分鐘。如果使用 RC 諧振器，藍(lán)牙模塊將不得不保持開啟更長時間才能相互通信，從而浪費(fèi)電池電量。

  內(nèi)部和外部振蕩器

  內(nèi)部振蕩器通常用于為不需要精確計(jì)時的 MCU 提供計(jì)時。內(nèi)部振蕩器對于低波特率的 UART 通信來說已經(jīng)足夠好了，盡管 CAN、USB 或以太網(wǎng)等對時序精度要求更嚴(yán)格的通信協(xié)議需要外部晶體和振蕩器。

  使用外部振蕩器允許更寬的頻率范圍，其中內(nèi)部振蕩器通常是一個頻率，帶有少量時鐘預(yù)分頻器選項(xiàng)。在電子學(xué)中，時間是一種可以準(zhǔn)確且廉價地測量的屬性，因此通常問題會轉(zhuǎn)化為測量時間或產(chǎn)生具有準(zhǔn)確計(jì)時的脈沖。

  外部時鐘和振蕩器的優(yōu)點(diǎn)

  精度 - 內(nèi)部時鐘不精確，可能受噪聲影響。

  溫度無關(guān)性 - 振蕩器和時鐘(尤其是溫度補(bǔ)償振蕩器)可用于低溫或高溫應(yīng)用或溫度變化很大的場合。隨著溫度的變化，振蕩頻率可以保持相對相同。

  速度 - 內(nèi)部振蕩器可能無法達(dá)到 IC 的最高速度，在這種情況下需要外部振蕩器。

  電壓 - 內(nèi)部振蕩器的速度可能取決于它正在運(yùn)行的電壓。如果振蕩器驅(qū)動可能產(chǎn)生射頻干擾的設(shè)備，則在其控制輸入中添加變化的電壓可以分散干擾頻譜，使其更接近理想狀態(tài)。在此示例中，只有外部電壓控制器振蕩器才能提供該功能。

  需要多個時鐘 - 如果許多子系統(tǒng)需要同步運(yùn)行并相互連接，則可以使用單個外部時鐘發(fā)生器來替代每個子系統(tǒng)的自由運(yùn)行時序組件。

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