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更多>>射頻IC晶體振蕩器選擇指南
來源：http://www.sedorisc.com 作者：康華爾電子 2019年09月17
應(yīng)用到射頻模塊的晶體振蕩器有很多種,射頻里的IC也是一樣,其中TCXO晶振可以說是”?？?rdquo;了,但TCXO溫補(bǔ)晶振的規(guī)格封裝選擇讓許多工程頭疼,尺寸相對比較好確定,但像頻率,輸出方式,電源電壓等,則需要通過分析與實驗來確認(rèn),合適產(chǎn)品用的參數(shù).本應(yīng)用筆記旨在更好地了解晶體和TCXO與Si4x6x/Si4x55ISM頻段發(fā)送器,接收器和收發(fā)器IC的接口.選擇合適的晶體振蕩器時最重要的參數(shù)如下:
標(biāo)稱頻率:25~32MHz等效串聯(lián)電阻:ESR:最大80W
負(fù)載電容:Cload,CL:max.10pF
分流電容:C0(盡可能低,通常為3-4pF)
工作溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性:通常為±10ppm(取決于應(yīng)用)
Si4x6x/Si4x55系列的30MHz石英晶體振蕩器采用并聯(lián)諧振模式的晶體.在這種模式下,諧振器由晶體本身和“負(fù)載電容”組成.圖1顯示了這個電容(CL)以及晶體的電氣模型.
圖1.并聯(lián)諧振模式下的晶體
晶體模型中最常用的組件名稱是:
LxMotional電感
Cx運(yùn)動電容
Rx損耗阻力
C0引腳/支架電容
CL的加入使機(jī)械諧振器從串聯(lián)諧振頻率fS失諧,這里由LX和CX確定.fP=fSx(1+CX/(2×(C0+CL))).
為了獲得精確的振蕩頻率fP,重要的是提供晶振廠家規(guī)定的所需負(fù)載電容量.通常,數(shù)據(jù)表中未給出CX,并且僅顯示C0的最大值.CL的典型標(biāo)準(zhǔn)值是8,10,12和16pF.
圖2.諧振器連接的電容
3.Si4x6x/Si4x55振蕩器的特性:
Si4x6x/Si4x55包含一個集成晶體振蕩器,啟動時間小于250μs.該設(shè)計與片上集成的所需晶體負(fù)載電容不同,以最大限度地減少外部元件的數(shù)量.默認(rèn)情況下,off-chip所需的全部都是水晶.默認(rèn)晶振頻率為30MHz,但該電路設(shè)計用于處理25至32MHz的任何XTAL.如果使用標(biāo)稱頻率不同于30MHz的晶振,則必須修改POWER_UPAPI引導(dǎo)命令.還必須更改WDS計算器晶體頻率字段以反映所使用的頻率.
石英晶振負(fù)載電容可以進(jìn)行數(shù)字編程,以適應(yīng)具有各種負(fù)載電容要求的晶體,并調(diào)節(jié)晶體振蕩器的頻率.晶體負(fù)載電容的調(diào)諧通過GLOBAL_XO_TUNEAPI屬性進(jìn)行編程.總內(nèi)部電容為11pF,可調(diào)節(jié)127步(70fF/步).當(dāng)需要嚴(yán)格的頻率容差時(例如,窄帶應(yīng)用),有兩種可能的選擇:
1.使用外部高精度參考(例如,TCXO,OCXO).
2.使用晶體頻率調(diào)整來補(bǔ)償晶體生產(chǎn)公差.電容器組的頻率偏移特性如圖3所示.利用片上溫度傳感器和合適的控制軟件,可以消除晶體的溫度依賴性.
圖3.電容器組頻率偏移特性
將石英晶振放置在PCB布局上并布置晶體和無線電互連時,設(shè)計人員必須考慮最小化走線長度,從而減少可能的寄生效應(yīng)和EMC問題.
圖4.參考設(shè)計布局CrystalConnection的示例
頻率選擇:
對于每種無線電類型,建議的標(biāo)稱晶振頻率為30MHz.一個例外是當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計用于868MHz頻段時,建議的晶振頻率為26MHz,如我們的參考設(shè)計中所使用的那樣.由于Si4x6x/Si4x55的結(jié)構(gòu),可以在等于中心頻率和最近的晶體諧波之間的差異的頻率處看到不想要的雜散發(fā)射.晶體諧波也會使接收器脫敏并降低靈敏度.建議仔細(xì)選擇晶體頻率,使其諧波遠(yuǎn)離所需的射頻.SiliconLabs建議在868MHz頻段使用26MHz.應(yīng)當(dāng)注意,可達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率根據(jù)晶體頻率(在2GFSK中在26MHz處為433kbps與500kbps)進(jìn)行縮放.選擇正確的晶體頻率是RF載波頻率,石英晶振諧波位置和最大可實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率之間的權(quán)衡.
為應(yīng)用選擇參考晶體時,最重要的因素之一是精度,這取決于無線電鏈路參數(shù)(數(shù)據(jù)速率,偏差,RX濾波器帶寬),以及最終應(yīng)用所需的工作溫度范圍.
使用外部振蕩器(TCXO):
在幾個窄帶系統(tǒng)中,如果不補(bǔ)償晶體本身的溫度依賴性,就無法達(dá)到精度要求.一種經(jīng)濟(jì)有效的方法是利用片上溫度傳感器并使用合適的軟件控制環(huán)數(shù)字調(diào)整晶體電容組(GLOBAL_XO_TUNEAPI屬性).更準(zhǔn)確但實用的解決方案是使用TCXO(溫補(bǔ)晶體振蕩器).可以輕松使用TCXO或外部信號源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的XTAL,并應(yīng)連接到XIN引腳.建議輸入時鐘信號具有600mV至1.4V范圍內(nèi)的峰峰值擺幅,并通過串聯(lián)電容交流耦合至XIN引腳.XIN允許的最大擺幅為1.8V峰值峰值.只要使用“GLOBAL_XO_TUNE”API屬性在XIN引腳上使用外部驅(qū)動器,就應(yīng)將XO電容器組設(shè)置為0.此外,只要使用外部驅(qū)動器,就應(yīng)使用TCXOoption調(diào)用POWER_UP命令.
TCXO石英晶振或其他外部信號源可能在頻譜中引入不需要的混頻產(chǎn)物(與RF載波的頻率偏移通常等于晶體頻率).這些不需要的信號的電平取決于XIN引腳的電壓幅度和TX輸出功率.這些spurioussignals的水平不會影響Si4x6x與全球大多數(shù)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的兼容性,最高可達(dá)+20dBm(這是該芯片系列的最大可用輸出功率).但是,某些應(yīng)用可能需要使用外部功率放大器(Si446x具有內(nèi)置支持).在這種情況下,這些雜散信號的電平可能達(dá)到或超過某些標(biāo)準(zhǔn)對雜散信號的限制(如歐洲ETSI在869.525MHz時為+27dBm).
從睡眠轉(zhuǎn)換到任何活動狀態(tài):
1.打開TCXO晶振并等待其建立時間.
2.從休眠模式轉(zhuǎn)換到任何活動模式(SPI_ACTIVE,SPI_ACTIVE,READY,TUNE,RX,TX等).
3.通過SPI接口將以下字節(jié)發(fā)送到無線電:“F1F0010A”.在發(fā)送API命令之前必須將nSEL拉低,然后將其拉高.石英晶振從任何活動模式轉(zhuǎn)換到休眠模式:
1).通過SPI接口將以下字節(jié)發(fā)送到無線電:“F1F001FA”.在發(fā)送API命令之前必須將nSEL拉低,然后拉高.
2).轉(zhuǎn)換到SLEEP模式.
3.關(guān)閉TCXO以節(jié)省電流.
上述附加設(shè)置無需為Si4x6x修訂版C芯片(例如,C0,C1或C2)設(shè)置.要獲得正確的無線電配置,建議使用WDS并設(shè)置“使用外部溫補(bǔ)晶振/Refsource”選項在無線電配置應(yīng)用程序中.
標(biāo)稱頻率:25~32MHz等效串聯(lián)電阻:ESR:最大80W
負(fù)載電容:Cload,CL:max.10pF
分流電容:C0(盡可能低,通常為3-4pF)
工作溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性:通常為±10ppm(取決于應(yīng)用)
Si4x6x/Si4x55系列的30MHz石英晶體振蕩器采用并聯(lián)諧振模式的晶體.在這種模式下,諧振器由晶體本身和“負(fù)載電容”組成.圖1顯示了這個電容(CL)以及晶體的電氣模型.
圖1.并聯(lián)諧振模式下的晶體
LxMotional電感
Cx運(yùn)動電容
Rx損耗阻力
C0引腳/支架電容
CL的加入使機(jī)械諧振器從串聯(lián)諧振頻率fS失諧,這里由LX和CX確定.fP=fSx(1+CX/(2×(C0+CL))).
為了獲得精確的振蕩頻率fP,重要的是提供晶振廠家規(guī)定的所需負(fù)載電容量.通常,數(shù)據(jù)表中未給出CX,并且僅顯示C0的最大值.CL的典型標(biāo)準(zhǔn)值是8,10,12和16pF.
圖2.諧振器連接的電容
Si4x6x/Si4x55包含一個集成晶體振蕩器,啟動時間小于250μs.該設(shè)計與片上集成的所需晶體負(fù)載電容不同,以最大限度地減少外部元件的數(shù)量.默認(rèn)情況下,off-chip所需的全部都是水晶.默認(rèn)晶振頻率為30MHz,但該電路設(shè)計用于處理25至32MHz的任何XTAL.如果使用標(biāo)稱頻率不同于30MHz的晶振,則必須修改POWER_UPAPI引導(dǎo)命令.還必須更改WDS計算器晶體頻率字段以反映所使用的頻率.
石英晶振負(fù)載電容可以進(jìn)行數(shù)字編程,以適應(yīng)具有各種負(fù)載電容要求的晶體,并調(diào)節(jié)晶體振蕩器的頻率.晶體負(fù)載電容的調(diào)諧通過GLOBAL_XO_TUNEAPI屬性進(jìn)行編程.總內(nèi)部電容為11pF,可調(diào)節(jié)127步(70fF/步).當(dāng)需要嚴(yán)格的頻率容差時(例如,窄帶應(yīng)用),有兩種可能的選擇:
1.使用外部高精度參考(例如,TCXO,OCXO).
2.使用晶體頻率調(diào)整來補(bǔ)償晶體生產(chǎn)公差.電容器組的頻率偏移特性如圖3所示.利用片上溫度傳感器和合適的控制軟件,可以消除晶體的溫度依賴性.
圖3.電容器組頻率偏移特性
圖4.參考設(shè)計布局CrystalConnection的示例
對于每種無線電類型,建議的標(biāo)稱晶振頻率為30MHz.一個例外是當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計用于868MHz頻段時,建議的晶振頻率為26MHz,如我們的參考設(shè)計中所使用的那樣.由于Si4x6x/Si4x55的結(jié)構(gòu),可以在等于中心頻率和最近的晶體諧波之間的差異的頻率處看到不想要的雜散發(fā)射.晶體諧波也會使接收器脫敏并降低靈敏度.建議仔細(xì)選擇晶體頻率,使其諧波遠(yuǎn)離所需的射頻.SiliconLabs建議在868MHz頻段使用26MHz.應(yīng)當(dāng)注意,可達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率根據(jù)晶體頻率(在2GFSK中在26MHz處為433kbps與500kbps)進(jìn)行縮放.選擇正確的晶體頻率是RF載波頻率,石英晶振諧波位置和最大可實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率之間的權(quán)衡.
為應(yīng)用選擇參考晶體時,最重要的因素之一是精度,這取決于無線電鏈路參數(shù)(數(shù)據(jù)速率,偏差,RX濾波器帶寬),以及最終應(yīng)用所需的工作溫度范圍.
使用外部振蕩器(TCXO):
在幾個窄帶系統(tǒng)中,如果不補(bǔ)償晶體本身的溫度依賴性,就無法達(dá)到精度要求.一種經(jīng)濟(jì)有效的方法是利用片上溫度傳感器并使用合適的軟件控制環(huán)數(shù)字調(diào)整晶體電容組(GLOBAL_XO_TUNEAPI屬性).更準(zhǔn)確但實用的解決方案是使用TCXO(溫補(bǔ)晶體振蕩器).可以輕松使用TCXO或外部信號源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的XTAL,并應(yīng)連接到XIN引腳.建議輸入時鐘信號具有600mV至1.4V范圍內(nèi)的峰峰值擺幅,并通過串聯(lián)電容交流耦合至XIN引腳.XIN允許的最大擺幅為1.8V峰值峰值.只要使用“GLOBAL_XO_TUNE”API屬性在XIN引腳上使用外部驅(qū)動器,就應(yīng)將XO電容器組設(shè)置為0.此外,只要使用外部驅(qū)動器,就應(yīng)使用TCXOoption調(diào)用POWER_UP命令.
TCXO石英晶振或其他外部信號源可能在頻譜中引入不需要的混頻產(chǎn)物(與RF載波的頻率偏移通常等于晶體頻率).這些不需要的信號的電平取決于XIN引腳的電壓幅度和TX輸出功率.這些spurioussignals的水平不會影響Si4x6x與全球大多數(shù)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的兼容性,最高可達(dá)+20dBm(這是該芯片系列的最大可用輸出功率).但是,某些應(yīng)用可能需要使用外部功率放大器(Si446x具有內(nèi)置支持).在這種情況下,這些雜散信號的電平可能達(dá)到或超過某些標(biāo)準(zhǔn)對雜散信號的限制(如歐洲ETSI在869.525MHz時為+27dBm).
從睡眠轉(zhuǎn)換到任何活動狀態(tài):
1.打開TCXO晶振并等待其建立時間.
2.從休眠模式轉(zhuǎn)換到任何活動模式(SPI_ACTIVE,SPI_ACTIVE,READY,TUNE,RX,TX等).
3.通過SPI接口將以下字節(jié)發(fā)送到無線電:“F1F0010A”.在發(fā)送API命令之前必須將nSEL拉低,然后將其拉高.石英晶振從任何活動模式轉(zhuǎn)換到休眠模式:
1).通過SPI接口將以下字節(jié)發(fā)送到無線電:“F1F001FA”.在發(fā)送API命令之前必須將nSEL拉低,然后拉高.
2).轉(zhuǎn)換到SLEEP模式.
3.關(guān)閉TCXO以節(jié)省電流.
上述附加設(shè)置無需為Si4x6x修訂版C芯片(例如,C0,C1或C2)設(shè)置.要獲得正確的無線電配置,建議使用WDS并設(shè)置“使用外部溫補(bǔ)晶振/Refsource”選項在無線電配置應(yīng)用程序中.
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