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VCXO (压控晶体振荡器)是由晶体决定振荡频率的振荡器，可用控制电压在小范围内进行频率调整。VCXO时钟(CLK)发生器已在多种系统中得到应用，如数字电视，数字音频，ADSL和STB。此应用笔记介绍VCXO CLK发生器的结构，关键参数测量，PCB设计指南，以及对一个应用于MPEG2和AC-3音频设备的VCXO CLK发生器MAX9485的测试结果。 

VCXO，即压控晶体振荡器，其振荡频率由晶体决定，但可用控制电压在小范围内对频率进行调整，控制电压范围一般为0V至2V或0V至3V。VCXO的调谐范围为±100ppm至±200ppm。图1为一个典型VCXO CLK发生器的结构和晶振电路模型。


图1. 典型VCXO CLK发生器的结构图

变容二极管CV1和CV2的容值变化会影响到晶振模型，从而改变振荡频率。两个外接并联电容CS1和CS2用来调整谐振范围和中心频率的偏移。按照图1所示的晶振电路，谐振频率可用下式表示：



其中C_L是由CV1，2和CS1，2决定的等效负载电容。可准确地表示为：C_L = (CV1+CS1) || (CV2 + CS2)。取一阶近似并考虑到C₁ << C₀和C_L，可得到f_C的频率增量。



图2为CS1 = CS2时，f_C随CS1值变化的典型曲线图。


图2. VCXO频率与并联电容CS1 (CS1 = CS2)

利用这一微调特性，可使用VCXO和PLL构成一个具有微调特性的CLK发生器。

VCXO CLK已经在多种系统中得到应用，如数字电视，数字音频，ADSL和STB。Maxim的MAX9485就是这样一款CLK发生器芯片，专为MPEG-2和杜比数字音频(AC-3)应用设计[1]，它几乎可以提供数字音频到模拟转换所采用的所有频率，支持从12kHz至96kHz的采样频率。Maxim还为其它应用设计了各种VCXO CLK发生器。

有许多参数用来描述VCXO CLK发生器。其中最重要的是调谐电压范围、中心频率、牵引范围以及时钟输出抖动。

调谐电压范围为VCXO控制电压的变化范围，此电压控制变容二极管的电容。通常为0V至2V或3V。中心频率为VCXO输出频率范围的中点。牵引范围为变化频率(增大或减少)与中心频率的比值。此比值一般用ppm表示(百万分之一)，代表VCXO的相对频率牵引范围。通常牵引范围大约为100ppm至200ppm，取决于VCXO的结构和所选择的晶体。

时钟抖动是CLK发生器的一个重要参数，有多种关于抖动的定义。两个最常用的抖动参数称为“周期”抖动和“周期间”抖动，我们将在第四节详细讨论这些问题。抖动取决于CLK发生器的结构，芯片之间会有差异，不同的应用对抖动的要求也不相同。

晶体的选择和PCB布局会对VCXO CLK发生器的性能参数产生一定的影响。选择晶体时，除了频率、封装、精度和工作温度范围，在VCXO应用中还应注意等效串联电阻和负载电容。串联电阻导致晶体的功耗增大。阻值越低，振荡器越容易起振。负载电容是晶体的一个重要参数，首先，它决定了晶体的谐振频率。一般晶体的标称频率指的是其并联指定负载电容后的谐振频率。应当指出，此处的标称频率是当C_L等于指定负载电容时利用公式(1)计算出的值，但不是利用计算出的值1/(2 π √L₁C₁)。因此，VCXO的调谐范围与C_L的值紧密相关。当负载电容值较小时，VCXO的调谐范围限制在上端；同样，电容值较大时，调谐范围将限制在下端。负载电容的适当取值取决于VCXO的特性。例如，MAX9485设计中，为了均衡调谐范围、调谐曲线中点、同时简化电路板设计，我们选择Ecliptek (ECX-5527-27) [2]具有14pf负载电容的27MHz晶体。使用这样的晶体时，MAX9485具有±200ppm的牵引范围，见图3。应该指出，封装会导致晶体牵引范围的差异。一般金属壳封装比表贴器件(SMD)的牵引范围更大。但是最近DAISHINKU Corp. [5]生产的一款新SMD晶体可达到与金属壳晶体近似的牵引范围。我们测试了这款SMD晶体(DSX530GA)，发现外接两个4pf的并联电容时可以实现±200ppm频率牵引范围，见图4。


图3.


图4.

为了限制VCXO的调谐范围，可通过改变外部并联电容设置向上的调节范围。并联电容取值范围为4ps至7ps，取决于电路板寄生电容。另一方面，向下的调节范围取决于内部变容二极管值，不能由外部改变。为了降低寄生电容对向上频率调节范围的影响，在电路板布局中应尽可能的减少晶体引脚对地的寄生电容，保证引脚与地层和电源层之间的清洁。详细的电路板布局，请参考MAX9485评估(EV)板[4]。

对振荡器而言，抖动是一个重要的性能参数。有两个最常用的抖动定义：周期抖动和周期间抖动，详细信息见图5。为了测量抖动，可用高速数字示波器采样一批数据，按照定义计算抖动。Tektronix公司的示波器(TDS 7254)或Lecroy公司的示波器(Wavepro 960)都提供了这类测量软件。我们还可使用高速数字示波器在时域测量周期抖动[3]。图5为装置图。在时域中无法测量周期间抖动。但是，如果每个周期的抖动噪声相互独立并均匀分布，则周期间抖动是周期抖动的1.414倍。MAX9485能产生21种不同的输出频率，取决于不同的音频采样频率和频率比例因数。我们使用图6所示设备测量了各种可能输出的时钟频率的周期抖动，表1为测量结果。


图5. 输出抖动测量


图6. 自触发抖动测量装置

表1. 周期抖动与输出频率