Proste i oszczędne metody spełniania wymagań dotyczących taktowania obwodów niskiej mocy za pomocą oscylatorów SPXO

Taktowanie obwodu jest krytyczną funkcją wymaganą w szerokiej gamie urządzeń elektronicznych, takich jak mikrokontrolery, interfejsy USB, Ethernet, Wi-Fi i Bluetooth, a także urządzenia komputerowe i urządzenia peryferyjne, urządzenia medyczne, sprzęt testowy i pomiarowy, urządzenia sterownicze i automatyka przemysłowa, urządzenia Internetu rzeczy (IoT), urządzenia ubieralne i elektronika użytkowa. Projektowanie oscylatorów sterowanych kryształami w celu zapewnienia taktowania układu wydaje się początkowo prostym zadaniem, ale projektanci muszą wziąć pod uwagę wiele parametrów i wymagań projektowych podczas dopasowywania kryształu kwarcu do układu scalonego oscylatora.

Pod uwagę trzeba wziąć na przykład impedancję ruchową kryształu, tryb rezonansowy, poziom wysterowania i ujemną rezystancję oscylatora. Jeżeli chodzi o układ obwodu, projektant musi wziąć pod uwagę pojemność pasożytniczą płytki drukowanej, dołączenie opaski ochronnej wokół kryształu oraz pojemność zintegrowaną na chipie. Ostateczna konstrukcja musi być kompaktowa i niezawodna, zawierać minimalną liczbę komponentów, charakteryzować się niskimi fluktuacjami skutecznymi (RMS) i umożliwiać pracę w szerokim zakresie napięć wejściowych przy minimalnym zużyciu energii.

Jednym z rozwiązań jest użycie prostych oscylatorów krystalicznych w obudowach (SPXO). Te oscylatory ciągłego napięcia zoptymalizowane pod kątem niskiego zużycia energii i niskich fluktuacji skutecznych (RMS) oraz pracy przy dowolnym napięciu od 1,60 do 3,60V umożliwiają projektantom wdrażanie rozwiązań, które wymagają minimalnego wysiłku projektowego w celu integracji z systemami.

W niniejszym artykule pokrótce omówimy niektóre z ważnych wymagań dotyczących parametrów działania i wyzwań projektowych, które należy spełnić, aby pomyślnie zaprojektować obwody taktowania z wykorzystaniem dyskretnych kryształów kwarcu i układów scalonych taktowania. Następnie przedstawione zostaną proste oscylatory krystaliczne (SPXO) firmy Abracon oraz sposób, w jaki projektanci mogą z nich korzystać, aby skutecznie i wydajnie spełniać wymagania dotyczące taktowania w układach elektronicznych.

Działanie oscylatora krystalicznego i wyzwania projektowe

W małych, zasilanych bateryjnie urządzeniach bezprzewodowych zużycie energii jest ważnym czynnikiem. Wiele takich urządzeń jest opartych na radiowych i procesorowych układach SoC o bardzo niskiej mocy, które mogą współpracować z bateriami przez wiele lat. Z punktu widzenia kosztów urządzenia ważna jest również minimalizacja rozmiaru baterii, ponieważ bateria może być najdroższym elementem systemu. Jednak prąd pogotowia jest często najważniejszym czynnikiem wpływającym na czas pracy baterii w małych układach bezprzewodowych, a oscylator zegara często ma dominujący udział w prądzie czuwania. Dlatego minimalizacja poboru prądu oscylatora ma kluczowe znaczenie.

Niestety projektowanie oscylatorów małej mocy może być wyzwaniem. Jednym ze sposobów oszczędzania energii jest zminimalizowanie prądu pogotowia poprzez przejście w stan „wyłączenia” i uruchomienie oscylatora w razie potrzeby. Jednak oscylatory krystaliczne nie są łatwe do szybkiego i niezawodnego uruchomienia. Projektanci muszą zadbać o to, aby oscylator pobierał niski prąd w trybie pogotowia i miał niezawodną charakterystykę rozruchu we wszystkich warunkach roboczych i środowiskowych.

Konfiguracja oscylatora Pierce'a jest powszechnie stosowana w bezprzewodowych układach SoC małej mocy (ilustracja 1). Oscylator Pierce'a jest zbudowany na bazie kryształu (X) i kondensatorów obciążenia (C₁ i C₂) oraz uzupełniony wzmacniaczem odwracającym z wewnętrznym rezystorem sprzężenia zwrotnego. W odpowiednich warunkach, gdy wyjście wzmacniacza jest ponownie podawane na wejście, skutkuje to ujemną rezystancją i pojawia się oscylacja.

Ilustracja 1: podstawowa konfiguracja oscylatora Pierce'a zbudowanego na bazie kryształu (X) i kondensatorów obciążenia C₁ i C₂. (Źródło ilustracji: Abracon)

Kryształy stanowią złożone struktury. Niniejsza dyskusja dostarcza tylko powierzchownego i uproszczonego spojrzenia na ich działanie w oscylatorach.

W celu scharakteryzowania niezawodności oscylatora w odniesieniu do różnych strat, jako współczynnik dobroci (FOM) można wykorzystać zapas wzmocnienia w pętli zamkniętej, Gm. Nazywa się go również rezerwą oscylacji (OA). Rezerwa oscylacji OA poniżej 5 może skutkować niską wydajnością produkcji i problemami z rozruchem związanymi z temperaturą. Projekty z rezerwą oscylacji OA wynoszącą 20 lub więcej są wytrzymałe, zapewniają niezawodną pracę w zaprojektowanym zakresie temperatur roboczych i są niewrażliwe na odchyłki w obrębie partii produkcyjnych pod względem parametrów działania kryształu i układu SoC.

Aby zmierzyć rezerwę oscylacji OA oscylatora, do obwodu dodaje się rezystor nastawny, R_a (ilustracja 2). Wartość R_a jest zwiększana do momentu, w którym oscylatora nie da się uruchomić. Jest to wartość używana do określenia rezerwy oscylacji OA w następujący sposób:

Równanie 1

Gdzie:

R_n jest rezystancją ujemną

R_e jest równoważną rezystancją szeregową (ESR)

Równanie 2

Równanie 3

Gdzie pojemność obciążenia, C_L, oblicza się, wykorzystując:

Równanie 4

Gdzie Cs jest pojemnością błądzącą obwodu, zwykle od 3,0 do 5,0pF.

Ilustracja 2: oscylator Pierce'a z rozwiniętym modelem kryształu (w ramce pośrodku) i rezystorem nastawnym (R_a) do pomiaru rezerwy oscylacji. (Źródło ilustracji: Abracon)

Rezerwa oscylacji OA zależy od równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) (R_mi), a ta z kolei zależy od parametru R_m kryształu kwarcu i pojemności obciążenia, C_L. Wpływ R_m i C_L na rezerwę oscylacji OA jest większy dla oscylatorów małej mocy, na przykład używanych w urządzeniach bezprzewodowych małej mocy. Pomiar rezerwy oscylacji OA wymaga czasu i może wydawać się wydłużeniem procesu rozwoju. Jego pominięcie może jednak spowodować problemy z parametrami działania, gdy system lub urządzenie wejdzie do produkcji.

Ponadto ustawienie wysokiej rezerwy oscylacji w celu zapewnienia niezawodnej pracy oscylatora może spowodować inne problemy. Na przykład wysoka rezerwa oscylacji OA spowoduje wysokie parametry działania obwodu oscylatora, ale można przeoczyć straty mocy na krysztale. Straty te mogą być istotnym czynnikiem. Spójrzmy ponownie na ilustrację 2: rezystancja ruchowa kryształu, R_m, powoduje rozpraszanie mocy, gdy prąd przepływa cyklicznie przez rezystancję. Prąd i straty rosną, gdy wartość C_L jest większa. Projektanci muszą osiągnąć równowagę między stratami mocy w krysztale a rozsądną wartością rezerwy oscylacji OA.

Zapobieganie fluktuacjom

Podczas projektowania oscylatorów krystalicznych ważne jest, aby zrozumieć i zminimalizować fluktuacje. Istnieją dwa rodzaje fluktuacji, przy czym oba są zwykle mierzone jako wartości skuteczne:

• Fluktuacje międzycyklowe: nazywane również rozsynchronizowaniem fazowym, to maksymalna różnica czasu między kilkoma zmierzonymi okresami oscylacji, zwykle mierzona przez minimum 10 okresów.
• Fluktuacje okresowe: jest to maksymalna zmiana zbocza zegara i jest mierzona w każdym okresie, a nie w wielu.

Główne źródła fluktuacji w oscylatorach krystalicznych to m.in.: szumy zasilania, całkowite harmoniczne częstotliwości sygnału, niewłaściwe warunki obciążenia i zakończenia, szumy wzmacniacza i pewne konfiguracje obwodów. W zależności od źródła istnieje kilka metod, które można zastosować, aby zminimalizować fluktuacje:

• Zastosowanie kondensatorów obejściowych, mikrokoralików lub filtrów rezystorowo-kondensatorowych (RC) do kontroli szumów zasilania.
• W krytycznych zastosowaniach, które wymagają bardzo niskich fluktuacji, ważne jest ustalenie metody kontroli harmonicznych (poza zakresem tego artykułu).
• Zmniejszanie mocy odbitej z powrotem do wyjścia poprzez optymalizację warunków obciążenia i zakończenia.
• Unikanie stosowania projektów zawierających pętle ze sprzężeniem fazowym, powielacze lub funkcje programowalne, ponieważ mają one tendencję do zwiększania fluktuacji.

Oscylatory krystaliczne ciągłego napięcia

Projektanci systemów o zmiennym napięciu polaryzacji od 1,60 do 3,60V mogą skorzystać na zastosowaniu prostych oscylatorów krystalicznych (SPXO) ASADV, ASDV oraz ASEDV firmy Abracon (ilustracja 3). Te grupy prostych oscylatorów krystalicznych (SPXO) obejmują różne zakresy częstotliwości; od 1,25MHz do 100MHz dla urządzeń ASADV i od 1MHz do 160MHz dla urządzeń ASDDV i ASEDV. Są one zgodne z dyrektywą RoHS/RoHS II i są dostarczane w formie urządzeń do montażu powierzchniowego (SMD) w hermetycznie zamkniętych obudowach ceramicznych. Ich stabilność częstotliwości wynosi ±25ppm w zakresie temperatur roboczych od -40°C do 85°C.

Ilustracja 3: proste oscylatory krystaliczne ASADV (ukazany), ASDDV i ASEDV są zamknięte w hermetycznych obudowach ceramicznych i mogą pracować w temperaturach od -40°C do 85°C. (Źródło ilustracji: Abracon)

Oscylator ASADV ma wymiary 2,0 x 1,6 x 0,8mm, ASDDV - 2,5 x 2,0 x 0,95mm, a ASEDV - 3,2 x 2,5 x 1,2mm. Te trzy serie są dostępne z różnymi typowymi zakresami temperatur roboczych, opcjami stabilności i formatem wyjściowym zgodnym z CMOS/HCMOS/LVCMOS.

Co ważne, grupy ASADV, ASDVD i ASEDV są zoptymalizowane pod kątem pracy niskoprądowej (ilustracja 4). Aktywacja funkcji włączania/wyłączania wyjścia zmniejsza natężenie prądu do zaledwie 10μA. Maksymalny czas rozruchu wynosi 10ms.

Ilustracja 4: pokazano pobór prądu przez oscylator ASEDV w funkcji napięcia zasilania, który jest typowy dla parametrów działania tej grupy prostych oscylatorów krystalicznych (SPXO) (pomiar w temperaturze 25°C ±3°C). (Źródło ilustracji: Abracon)

Wszystkie trzy grupy oscylatorów SPXO charakteryzują się szczególnie niskim poborem prądu. W przypadku oscylatora ASADV maksymalny prąd (mierzony przy obciążeniu 15pF w temp. 25°C) waha się od 1,0mA przy częstotliwości 1,25MHz i napięciu zasilania 1,8V do 14,5mA przy częstotliwości 81MHz i napięciu zasilania 3,3V. W przypadku oscylatorów ASDDV i ASEDV maksymalny prąd waha się od 1,0mA przy częstotliwości 1MHz i napięciu zasilania 1,8V do 19mA przy częstotliwości 157 MHz i napięciu zasilania 3,3V.

Urządzenia mogą zasilać wiele odbiorników i cechują się dobrą charakterystyką w zakresie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz niskimi fluktuacjami. Ich maksymalne skuteczne fluktuacje fazowe (RMS) wynoszą <1,0ps a fluktuacje okresowe 7,0ps.

Proste oscylatory krystaliczne (SPXO) zapewniają również dobrą stabilność częstotliwości w całym zakresie temperatur roboczych (ilustracja 5). W wielu zastosowaniach oscylatory te mogą być używane jako gotowe elementy wymagające stosunkowo niewielkich prac projektowych. Eliminują również potrzebę doboru oscylatora zależnie od polaryzacji i pozwalają pozbyć się zmian częstotliwości zależnych od polaryzacji.

Ilustracja 5: omawiane proste oscylatory krystaliczne (SPXO) posiadają dobrą stabilność częstotliwości w całym zakresie temperatur roboczych. Wykres jest typowy dla grupy oscylatorów ASEDV. (Źródło ilustracji: Abracon)

Skoro nie trzeba się już przejmować wstrząsami i wibracjami, oscylatory krystaliczne do montażu powierzchniowego o stałym napięciu ASADV, ASDVD i ASEDV mogą znaleźć zastosowanie jako tańsze alternatywy dla oscylatorów mikroelektromechanicznych (MEMS).

Podsumowanie

Projektanci potrzebują precyzyjnych i niezawodnych oscylatorów, aby zapewnić stabilne taktowanie w szerokim zakresie zastosowań i temperatur roboczych. Dyskretne oscylatory sterowane kryształami mogą spełniać wymagane charakterystyki działania, ale efektywne projektowanie z wykorzystaniem kryształów może być technicznie trudne, czasochłonne, niepotrzebnie kosztowne i nieoptymalne pod względem formy.

Projektanci mogą zamiast tego używać zintegrowanych prostych oscylatorów krystalicznych (SPXO) niskiej mocy, które stanowią gotowe rozwiązania taktowania z dobrą stabilnością częstotliwości w szerokim zakresie temperatur pracy. Korzystając z takich oscylatorów, projektanci mogą zmniejszyć liczbę komponentów, rozmiary rozwiązania, koszty montażu i poprawić niezawodność.

Rekomendowane artykuły

Jak dobrać i skutecznie zastosować oscylator