AN-1260：视频解码器、HDMI接收器和收发器的晶振设计考虑因素
简介
为实现频率稳定性和精确性，使用本应用笔记作为振荡器外部电路的设计指南。
此外，本应用笔记还描述视频解码器的振荡器电路。在基频模式下，大部分ADI视频解码器通常都需要一个标称频率为28.63636 MHz1、频率稳定性为50 ppm的晶振。表1详细罗列了用于ADV7403评估板的晶振规格。本应用笔记基于ADV7401和ADV7403；然而它同样适用于ADV740x、ADV718x、ADV728x、ADV7800、ADV7802、ADV7842、ADV7844和ADV7850视频解码器。
| 特性 | 数值 |
| 封装形式 | HC49 |
| 标称频率 | 28.63636 MHz |
| 振荡模式 | 基频 |
| 频率校准(25°C时) | ±0.0030% |
| 频率温度稳定性容差 | ±0.0050% |
| 工作温度范围 | −10°C至+60°C |
| 等效电阻(最大值) | 30 Ω |
| 负载电容 | 30 pF |
| 驱动电平 | 100 μW |
| 分流电容(最大值) | 7.0 pF |
| 年老化率 | ±0.0003% |
视频产品内置独立的高清多媒体接口(HDMI®)接收器(ADV7611、ADV7612、ADV7619和ADV7604)以及HDMI视频接收器，这些器件无法对模拟视频进行数字化(比如ADV7622和ADV7623)；可以使用最小化传输差分信号(TMDS)时钟来接收像素信号。这些器件不需要高精度晶振时钟源，因为晶振精度不影响视频质量。这种情况下，来自晶振电路的时钟主要用于测量TMDS频率时钟，以便产生自由运行的视频图案，并执行其他非视频相关操作，比如扩展显示识别数据(EDID)和高带宽数字内容保护(HDCP)。因此，它不会影响已处理视频的质量。
振荡器说明
电路
图1显示视频解码器中振荡器的框图。石英晶振的等效电路如图2所示。C0是晶振的分流或静态电容。R1表示动态电阻，L1表示动态电感，C1表示动态电容。R1、L1和C1由晶振的机械属性所决定。它们位于晶振的动态支臂上，并且仅在晶振振荡时才会产生影响(参见参考文献2)。R是外部分流电阻，对于ADV740x系列产品而言，其建议值为1 MΩ。
图1. 振荡器框图
图2. 晶振等效电路图
额外的外部分流电阻适用于大部分视频解码器和HDMI接收器，但ADV7850和ADV7619除外。如需最新的信息，请参见ADI网站上相关视频器件的推荐原理图：www.analog.com。
串联和并联谐振
晶振的有效电抗曲线如图3所示。区域1和区域2中的频率范围表示基频模式。
图3. 晶振电抗
基频模式有两种谐振类型：串联和并联。
当L1动态电感与C1动态电容谐振时，将会产生串联谐振。串联谐振频率由下式近似确定：
当负载电容CL两端连接晶振引脚时，产生并联谐振。并联谐振中晶振的振荡频率由下式近似确定：
注意，图3区域2显示的并联谐振可计算如下：
用于ADV740x解码器的晶振在并联谐振模式下振荡，本应用笔记的其余部分将会讨论。工作频率等于区域2范围内显示的晶振频率(见图3)。
晶振规格
频率容差
频率容差是指晶振适当调谐时，在有限频率范围内振荡的能力。制造商通常给出与频率容差有关的两个规格，包括：
- 频率校准容差，表示25°C时标称频率的最大偏差。
- 频率温度稳定性容差，表示温度在工作温度范围内波动时，标称频率的最大偏差。
表1中的频率校准容差为±0.0030%；因此，最大频率偏差(∆f)由下式给出：
因此，下式正确：
负载电容
晶振数据手册中的负载电容给出25°C时，容差范围内的并联谐振频率。因此，设计一个匹配负载电容的电路很重要，以便达到制造商规定的频率。使用下式计算负载：
其中：
CPG1和CPG2表示引脚到地电容。
CS表示印刷电路板(PCB)杂散电容。
一个较好的原则是CPG1和CPG2近似取5 pF至10 pF，而CS 近似取2 pF至3 pF。
图4. 计算晶振负载电容
例如，使CPG1 = CPG2 = CPG = 4 pF且C1 = C2 = C。CPG表示寄生接地电容。如需使负载电容CL = 30 pF，则C值必须为已知(见表1)。C值可从上式获取。
因此，针对C1和C2，可选择两个47 pF电容。通过改变C1和C2的起始值，可优化电路性能。
等效串联电阻
等效串联电阻(ESR)通常由制造商指定。假定振荡器匹配负载电容(CL)，则ESR是晶振阻抗的实值部分。
例如，表1中给出的晶振ESR为30 Ω，CL等于30 pF。针对ADV740x解码器，建议ESR ≤ 30 Ω。
驱动电平
驱动电平等于晶振功耗。将功耗限制在规格数值以内很重要，以防晶振受损。如果晶振峰值电压由于直流电源而取近似值，那么功耗可近似表示为：
质量因数
晶振数据手册中通常不提供品质因数(Q)。Q因数是存储电能的无功功率与所有电能损耗总和之比。因此，当不存在任何损耗时，理想振荡器中的Q因数等于无穷大。标准晶振的Q因数范围为20,000至200,000。Q因数极高的晶振有助于晶振的高频稳定性。
注释
1 若使用ADV7850，则该值为27 MHz；更多信息请参见相关视频器件的推荐原理图。
参考电路
1 产品规格：HC49标准晶振系列(产品型号MA01377)，Golledge Electronics, Ltd.，有关该器件的更多信息，请联系Golledge Electronics。
2 应用笔记AP-155：用于微控制器的振荡器(英特尔公司，1983年6月)。