晶振关键参数及其在系统设计中的影响

在电子系统设计中，晶振的性能参数直接决定了系统的稳定性和可靠性。从基准频率到工作电压，从输出电平到温度范围，每一个参数都承载着特定的技术含义和选型考量。

1、基准频率：

晶振在完全理想条件下的振荡频率。

2、工作电压：

晶振的工作需要外部提供一定的电源电压，晶振输出的时钟信号上的噪声与电源再说紧密相关，因此在晶振器件资料上，对电源的质量有一定的要求。

3、输出电平：

晶振与晶体相比，最为突出的一点就是只要上电，就直接输出时钟信号。时钟信号的电平也多种多样，支持的电平主要包括：TTL、CMOS、HCMOS、LVCOMS、LVPECL、LVDS等。在选型中，应根据所需时钟电平的种类选择相应的晶振。

4、工作温度范围：

根据环境温度要求的不同，应选择对应的工作温度范围。

5、频率精度：

对应不同的工作温度范围，可选择不同的频率精度。以±15ppm、-20~70℃为例，其含义是，在-20~70℃温度范围内，该晶振输出频率相对基准频率的偏差不会超过15ppm。该参数是晶振的重要参数，包含了由于温度变化、电源电压波动、负载变化等因素引起的频率偏差。

6、老化度：

在恒定的外接条件下测量晶振频率，频率精度与时间之间的关系。

7、启动时间：

从上电到晶振输出频率的偏差达到规定的频率精度所需要的时间。

8、时钟抖动(Jitter)：

周期抖动(JPER)是实测周期与理想周期之间的时间差。由于具有随机分布的特点，可以用峰-峰值或均方根(RMS)描述。首先定义门限VTH的时钟上升沿位于时域的TPER(n)，其中n是一个时域系统，如图所示。JPER表示为：

其中T0是理想时钟周期。由于时钟频率固定，随机抖动JPER的均值应该为零，JPER的RMS可表示为：

下图是周期抖动测量

利用示波器的边沿触发和余辉功能，可以粗略的测量信号的抖动。使用该方法的测量并不具有实际意义。(1)随着测量时间的增加，测得的抖动值将不断增加，即利用这种测量方法，无法得到确定的抖动值;(2)即使能得到确定的抖动值，这样的值对电路设计也没有任何指导意义，只能粗略判断所使用的晶振的抖动情况。

9、相位噪声：

在频域上，数据偏移量用相位噪声来定义。对于频率为f0的时钟信号而言，如果信号上不含抖动，则信号的所有功率应集中在频率点f0处，由于任何信号都存在抖动，这些抖动有些是随机的，有些是确定的，分布于相当广的频带上，因此抖动的出现将使信号功率被扩展到这些频带上。信号的相位噪声，就是信号在某一特定频率处的功率分量，将这些分量连接成的曲线就是相位噪声曲线。相位噪声通常定义为在某一给定偏移处的dBc/Hz值，其中dBc是以dB为单位的该功率处功率与总功率的比值。如一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号总功率的比值，即在fm频率处1Hz范围内的面积与整个噪声频率下的所有面积之比。

信号相位噪声曲线图

从相位噪声曲线图可知，绝大多数抖动都集中在频率f0附近，距离f0越远的频段，抖动能量越小。

以下面的例子为例，说明对时钟输入的要求：

RMS JPER(12kHz~20MHz)：0.5ps

相位噪声(10~100kHz)：-120dBc/Hz

这实际上是两个要求，一个是要求在频段12kHz~20MHz内，均方根抖动不能大于0.5ps;另一方面要求在频段10~100kHz内，任何频点处的功率谱密度都不能超过-120dBc/Hz。