Zrozumienie parametrów oscylatora krystalicznego pod kątem optymalizacji doboru komponentów

Kwarcowe oscylatory krystaliczne są podstawowym komponentem odpowiedzialnym za częstotliwość i dokładność synchronizacji oraz parametry działania prawie wszystkich układów elektronicznych. W związku z tym muszą zachowywać dokładność i precyzję z upływem czasu. Oczywiście „doskonały” oscylator istnieje tylko w teorii, więc problemem dla projektantów jest dobór właściwego oscylatora, który spełni cele projektowe. Nie jest to łatwe zadanie.

Po określeniu wymagań eksploatacyjnych dla danego zastosowania projektanci muszą znaleźć rozwiązanie zapewniające odpowiednią równowagę pomiędzy parametrami działania, kosztami, stabilnością, rozmiarem, mocą, strukturą fizyczną i możliwościami sterowania powiązanych obwodów. W tym celu muszą oni zrozumieć zasady działania oscylatorów, ich kluczowe właściwości oraz sposób, w jaki ewoluowały.

W tym artykule przedstawimy przegląd podstawowych zagadnień związanych z oscylatorami krystalicznymi, a następnie przyjrzymy się różnym perspektywom związanym z modułami oscylatorów krystalicznych o wysokich parametrach. Następnie dokonamy krótkiego przeglądu podstawowych zagadnień dotyczących tych oscylatorów na przykładzie urządzeń firmy ECS Inc., a potem określimy parametry główne oraz drugorzędowe, wraz z realistycznymi wartościami tych parametrów. Pokażemy również, jak różne urządzenia są dopasowywane do potrzeb niektórych typowych zastosowań.

Jak działają oscylatory krystaliczne

Oscylatory krystaliczne zapewniają taktowanie zegarów procesorów, synchronizację bitową dla łączy danych, określają czas próbkowania dla konwersji danych oraz częstotliwość podstawową w tunerach i syntezatorach. Mówiąc prościej, element kwarcowy oscylatora krystalicznego działa jak element rezonansowy o niezwykle wysokim współczynniku dobroci Q w sieci sprzężenia zwrotnego obwodu oscylatora (ilustracja 1). Ze względu na znaczenie kryształów i zbudowanych na nich oscylatorów, szeroko zbadano i przeanalizowano podstawowe właściwości fizyczne kwarcu, jak również jego elektryczne i mechaniczne parametry działania, wraz z różnymi obwodami oscylatorów.

Ilustracja 1: dzięki wykorzystaniu efektu piezoelektrycznego kryształ funkcjonuje jako stabilny i precyzyjny element rezonansowy o wysokim współczynniku dobroci Q w pętli sprzężenia zwrotnego obwodu oscylatora. (Źródło ilustracji: ECS Inc. International, zmienione)

Przez wiele lat użytkownicy określali częstotliwość kryształu i inne kluczowe właściwości, a następnie dostarczali własny, oddzielny obwód oscylatora wykorzystujący lampy próżniowe (na początku), następnie tranzystory i wreszcie układy scalone. Obwód ten był zwykle połączeniem uważnej analizy projektu, jak również swego rodzaju „sztuki” i oceny opartej na doświadczeniu, ponieważ istniało wiele powiązanych ze sobą niuansów. Projektant starał się zrównoważyć te czynniki, aby dopasować parametry działania oscylatora do „kroju” kryształu kwarcu i jego właściwości, jak również do priorytetów zastosowania.

Obecnie takie działania w zakresie samodzielnego projektowania oscylatora krystalicznego są stosunkowo rzadkie, ponieważ uzyskanie prawidłowego projektu wstępnego wymaga czasu i dużego nakładu pracy. Do tego dochodzi jeszcze dokładny pomiar parametrów działania oscylatora. Jest to skomplikowany proces, wymagający precyzyjnego oprzyrządowania i starannej konfiguracji. Zamiast tego, w przypadku wielu zastosowań projektanci mogą zakupić niewielki, całkowicie obudowany moduł, który zawiera zarówno element kwarcowy, jak i obwód oscylatora oraz jego sterownik wyjściowy. To naturalnie zmniejsza nakład pracy i czas poświęcony na projektowanie, a użytkownik otrzymuje w pełni scharakteryzowane urządzenie i arkusz danych z gwarantowaną specyfikacją.

Uwaga dotycząca terminologii: inżynierowie, między innymi z powodów historycznych, często używają słowa „kryształ”, mówiąc tak naprawdę o całym obwodzie oscylatora krystalicznego. Zwykle nie stwarza to problemu, ponieważ intencjonalne znaczenie można wynieść z kontekstu. Czasem jednak może to prowadzić do nieporozumień, ponieważ nadal można zakupić kryształ jako samodzielny komponent, a następnie zbudować oddzielny obwód oscylatora. W tym artykule używamy słowa „oscylator” w odniesieniu do kryształu oraz jego obwodu oscylatora jako niezależnego modułu, a nie tylko samego obwodu oscylatora.

Charakterystyka oscylatorów krystalicznych

Podobnie, jak w przypadku wszystkich komponentów, parametry działania oscylatora krystalicznego są początkowo określane przez zestaw parametrów głównych. W kolejności znaczenia są to następujące parametry:

Częstotliwość robocza: może się ona wahać od dziesiątek kiloherców (kHz) do setek megaherców (MHz). Oscylatory przeznaczone do pracy przy częstotliwościach przekraczających podstawowy zakres oscylatora, np. w zakresie gigaherców (GHz), zazwyczaj wykorzystują pętlę ze sprzężeniem fazowym (PLL) jako powielacz częstotliwości w celu przekonwertowania częstotliwości podstawowej w górę.

Stabilność częstotliwości: to drugi kluczowy czynnik wpływający na parametry działania oscylatorów. Określa odchylenie częstotliwości wyjściowej od jej pierwotnej wartości, wywołane warunkami zewnętrznymi, a więc im mniejsza jest ta liczba, tym lepiej.

Jest wiele warunków zewnętrznych, które wpływają na stabilność, a wielu sprzedawców wymienia je indywidualnie, tak aby projektant mógł ocenić ich rzeczywisty wpływ w zastosowaniach. Wśród tych czynników są zmiany związane z temperaturą względem częstotliwości nominalnej w temperaturze 25⁰C. Inne czynniki obejmują stabilność długoterminową wywołaną starzeniem się, a także efekty lutowania, zmiany napięcia zasilania i zmiany obciążenia wyjściowego. W przypadku urządzeń o wysokiej wydajności, zwykle określa się to w częściach na milion (ppm) lub częściach na miliard (ppb) względem nominalnej częstotliwości wyjściowej.

Szum i fluktuacje fazowe: to dwa spojrzenia na tę samą ogólną klasę parametrów działania. Szum fazowy charakteryzuje szum zegara w dziedzinie częstotliwości, natomiast fluktuacje dotyczą dziedziny czasu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: fluktuacje w dziedzinie czasu i szum fazowy w dziedzinie częstotliwości to dwie równie ważne interpretacje tych samych niedoskonałości. Preferowany widok jest funkcją zastosowania. (Źródło ilustracji: ECS Inc. International)

W zależności od zastosowania projektant skupi się przede wszystkim na błędach określonych w jednej lub drugiej dziedzinie. Szum fazowy jest zwykle określany jako stosunek szumu w paśmie o szerokości 1Hz przy określonym przesunięciu częstotliwości, f_m, do amplitudy sygnału oscylatora przy częstotliwości f_O. Szum fazowy zmniejsza dokładność, rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu (SNR) w syntezatorach częstotliwości (ilustracja 3), natomiast fluktuacje powodują błędy synchronizacji, a tym samym wpływają na zwiększenie bitowej stopy błędów (BER) w łączach danych.

Ilustracja 3: szum fazowy rozprasza widmo mocy oscylatora i ma negatywny wpływ na rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu (SNR). (Źródło ilustracji: ECS Inc. International)

Fluktuacje czasowe powodują błędy czasu próbkowania w konwersjach analogowo-cyfrowych i tym samym wpływają na stosunek sygnału do szumu (SNR) oraz późniejszą analizę częstotliwości z użyciem szybkiej transformacji Fouriera (FFT).

Urządzenia z grupy standardowych oscylatorów MultiVolt (MV) firmy ECS Inc. są dostępne ze stabilnością wynoszącą nawet ±20ppm, podczas gdy oscylatory o wysokiej stabilności (SMV) oferują stabilność na poziomie zaledwie ±5ppm. Dla jeszcze wyższej stabilności urządzenia TCXO MultiVolt oferują wartość rzędu ±2,5ppm w przypadku wyjść HCMOS i ±0,5ppm w przypadku obciętej fali sinusoidalnej na wyjściu (zarówno TCXO, jak i obcięte fale sinusoidalne wyjaśniono poniżej).

Bez względu na dziedzinę szumy fazowe i fluktuacje są ważnymi czynnikami w projektach o wysokich parametrach i muszą być uwzględnione w budżecie błędów, jednocześnie pamiętając o potrzebach zastosowania. Należy pamiętać, że istnieje wiele rodzajów fluktuacji, w tym fluktuacje bezwzględne, fluktuacje międzycyklowe, zintegrowane fluktuacje fazowe, fluktuacje długoterminowe i fluktuacje okresowe. W przypadku szumu fazowego istnieją różne zakresy i rodzaje integracji, w tym szum biały i szumy w różnych „kolorach”.

Zrozumienie specyfiki zarówno fluktuacji, jak i szumu fazowego w oscylatorze oraz ich wpływu na zastosowanie często może stanowić wyzwanie. Trudno jest przekonwertować specyfikację z jednej dziedziny na drugą. Zamiast tego użytkownicy powinni zajrzeć do arkusza danych. Równie ważne jest zrozumienie uzasadnionych, lecz różnych definicji sprzedawców określających parametrów działania podczas uwzględniania tych błędów w ogólnym budżecie błędów.

Typ sygnału wyjściowego i sterowania: muszą być one dopasowane do podłączonego obciążenia (ilustracja 4). Dwie topologie sterowania wyjściowego to single-ended i różnicowa.

Ilustracja 4: dostępne są różne formaty wyjściowe, które muszą być kompatybilne z konfiguracją obciążenia oscylatora. (Źródło ilustracji: ECS Inc. International)

Oscylatory single-ended są łatwiejsze do wdrożenia, lecz bardziej czułe na szum i zwykle są lepszym dopasowaniem tylko do kilkuset megaherców. Wśród typów wyjść single-ended znajdują się:

• TTL (logika tranzystorowo-tranzystorowa): 0,4 do 2,4V (obecnie rzadko używane)
• CMOS (komplementarny półprzewodnik tlenkowy): 0,5 do 4,5V
• HCMOS (CMOS wysokiej prędkości):              0,5 do 4,5V
• LVCMOS (CMOS niskiego napięcia):            0,5 do 4,5V

Wyjścia różnicowe są trudniejsze do zaprojektowania, ale zapewniają lepsze parametry działania w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, ponieważ wszelkie szumy wspólne dla ścieżek różnicowych są neutralizowane. Pomaga to utrzymać parametry działania oscylatora obserwowane z perspektywy obwodu obciążenia. Typy sygnału różnicowego są następujące:

• PECL (logika o dodatnim sprzężeniu emiterowym):            3,3 do 4,0V
• LVPECL (niskonapięciowa logika o dodatnim sprzężeniu emiterowym);                            1,7 do 2,4V
• CML (logika trybu prądowego):                             0,4 do 1,2V oraz 2,6 do 3,3V
• LVDS (niskonapięciowe sygnały różnicowe):       1,0 do 1,4V
• HCSL (logika sterująca prądem o wysokiej prędkości):      0,0 do 0,75V

O doborze typu sygnału decydują priorytety zastosowania i powiązane obwody.

Przebieg wyjściowy oscylatora może być klasyczną jednoczęstotliwościową falą sinusoidalną lub obciętą falą sinusoidalną (ilustracja 5). Fala analogowa jest „najczystsza” i najmniej narażona na fluktuacje/szum fazowy, w przeciwieństwie do wykorzystania obwodu komparatora do przekształcenia jej w falę kwadratową, ponieważ takie działanie dodaje fluktuacje/szum fazowy, a tym samym pogarsza ją. Obcięta fala sinusoidalna tworzy sygnał wyjściowy przypominający falę kwadratową, który jest kompatybilny z obciążeniami cyfrowymi bez utraty parametrów działania.

Ilustracja 5: obcięta fala sinusoidalna zbliża się do fali kwadratowej, minimalizując dodatkowe fluktuacje lub szum fazowy. (Źródło ilustracji: ECS Inc. International)

Napięcie i prąd zasilania: oba te parametry zostały zmniejszone, aby sprostać wymaganiom dzisiejszych systemów o niższym napięciu i często zasilanych z baterii. Większość oscylatorów z serii MultiVolt może pracować przy napięciu zasilania wynoszącym 1,8V, 2,5V, 3,0V i 3,3V.

Rozmiary obudowy: wraz z obniżeniem napięcia i prądu również obudowy oscylatorów stały się mniejsze. W branży istnieją pewne standardowe rozmiary dla urządzeń typu single-ended (które potrzebują tylko czterech połączeń), podczas gdy oscylatory różnicowe mają sześć styków i większe obudowy, których wymiary podano tutaj w milimetrach (mm):

1612: 1,6mm × 1,2mm

2016: 2,0mm × 1,6mm

2520: 2,5mm × 2,0mm

3225: 3,2mm × 2,5mm

5032: 5,0mm × 3,2mm

7050: 7,0mm × 5,0mm

W dużej mierze chodzi o temperaturę

Najważniejszym czynnikiem zewnętrznym wpływającym na oscylator i zmieniającym jego parametry działania jest temperatura. Nawet jeśli moc robocza oscylatora jest niska, a tym samym samoistne nagrzewanie jest znikome, temperatura otoczenia wpływa na częstotliwość roboczą, ponieważ zmiany te wpływają na wymiary mechaniczne i naprężenia kryształu kwarcu. Ważne, aby sprawdzić parametry działania wybranego oscylatora w skrajnych wartościach oczekiwanych zakresów. Zakresy te są zwykle określane jako:

• Komercyjne, klasy motoryzacyjnej 4:                   od 0 do +70°C
• Rozszerzone komercyjne:                                   od -20 do +70°C
• Przemysłowe, klasy motoryzacyjnej 3:                     od -40 do +85°C
• Rozszerzone komercyjne, klasy motoryzacyjnej 2:     od -40 do +105°C
• Klasy motoryzacyjnej 1:                                      od -40 do +125°C
• Wojskowe:                                                          od -55 do +125°C
• Klasy motoryzacyjnej 0:                                      od -40 do +150°C

W przypadku niektórych projektów pod uwagę brane są nie tylko parametry działania względem temperatury, ale także konieczność spełnienia innych specyfikacji dotyczących niezawodności. Na przykład miniaturowe oscylatory MultiVolt ECS-2016MVQ z wyjściem HCMOS do montażu powierzchniowego, przeznaczone są do pracy przy napięciach od 1,7 do 3,6V (ilustracja 6). Obudowa ceramiczna 2016 (2,0mm × 1,6mm, jak wyżej) ma wysokość 0,85mm, jest przeznaczona do trudniejszych zastosowań przemysłowych i uzyskała kwalifikację według normy AEC-Q200 (motoryzacyjną) w zakresie temperatury klasy 1. Są one dostępne dla częstotliwości od 1,5 do 54MHz w czterech stopniach stabilności częstotliwości, od ±20ppm do ±100ppm w temperaturze od -40°C do +85°C. Fluktuacje fazy są bardzo małe i wynoszą zaledwie 1 ps, mierzone w zakresie od 12kHz do 5MHz.

Ilustracja 6: oscylatory ECS-2016MVQ są dostępne dla częstotliwości od 1,5 do 54 MHz i w czterech stopniach stabilności częstotliwości od ±20ppm do ±100ppm. (Źródło ilustracji: ECS Inc. International)

W przypadku zastosowań, w których dryft w zakresie roboczym jest nieakceptowalnie wysoki, dostępne są dwie zaawansowane implementacje oscylatorów: oscylator krystaliczny z kompensacją temperatury (TCXO) oraz oscylator krystaliczny stabilizowany termicznie (OCXO). (Należy zauważyć, że na wielu schematach XTAL jest oznaczeniem kryształu, a „X” jest używane jako skrót tego oznaczenia w akronimach). Oscylator TCXO wykorzystuje aktywny obwód do kompensacji zmiany częstotliwości wyjściowej wywołanej zmianą temperatury. W przeciwieństwie do tego, w technologii OCXO oscylator krystaliczny jest umieszczony w izolowanym termicznie piecu, który jest ogrzewany i utrzymywany w stałej temperaturze powyżej maksymalnej temperatury otoczenia (piec grzewczy nie może schłodzić się poniżej temperatury otoczenia).

Oscylatory TCXO wymagają dodatkowych obwodów w porównaniu z podstawowym oscylatorem, ale o wiele mniej mocy niż OCXO wraz z piecem, który zazwyczaj wymaga kilku watów. Ponadto TCXO jest tylko nieznacznie większy niż urządzenie nieskompensowane i jest znacznie mniejszy niż OCXO. TCXO zwykle wykazuje dryft od 10 do 40 razy lepszy w porównaniu z urządzeniem nieskompensowanym, podczas gdy OXCO może wykazać parametry dryfu o dwa rzędy wielkości lepsze, ale ze znaczną stratą pod względem rozmiaru i mocy.

ECS-TXO-32CSMV to oscylator TCXO z obciętą falą sinusoidalną do montażu powierzchniowego z funkcją MultiVolt (zasilanie 1,7 do 3,465V) dla częstotliwości od 10 do 52MHz (ilustracja 7). Ceramiczna obudowa o wymiarach 3,2 × 2,5 × 1,2mm jest odpowiednio przystosowana do zastosowań przenośnych i bezprzewodowych, gdzie stabilność ma krytyczne znaczenie. Kluczowe specyfikacje wykazują jego niezwykle wysoką stabilność względem temperatury, zmian zasilania, zmian obciążenia i starzenia się, a także niewielkie zapotrzebowanie na prąd poniżej 2mA (tabela 1).

Ilustracja 7: ECS-TXO-32CSMV to oscylator krystaliczny o obciętej fali sinusoidalnej na wyjściu, wyposażony w wewnętrzne obwody kompensacyjne, które w znacznym stopniu poprawiają stabilność. (Źródło ilustracji: ECS Inc. International)

Tabela 1: tabela specyfikacji oscylatora TXCO ECS-TXO-32CSMV firmy ECS z kompensacją temperatury pokazuje, jak jego wewnętrzna kompensacja poprawia stabilność pomimo zakłóceń zewnętrznych. (Źródło ilustracji: ECS Inc. International)

Praca przy niskim zużyciu energii: częsty priorytet

Mimo tendencji ku coraz wyższym częstotliwościom taktowania procesorów i szybkości transmisji danych, wciąż istnieje duże zapotrzebowanie na oscylatory krystaliczne o niższych częstotliwościach do zastosowań w synchronizacji o bardzo niskim poborze mocy. Na przykład miniaturowy oscylator do montażu powierzchniowego ECS-327MVATX pracuje ze stałą częstotliwością 32,768kHz i posiada funkcję MultiVolt (od 1,6 do 3,6V). Dzięki zapotrzebowaniu na prąd o wartości zaledwie 200µA i wyjściu CMOS typu single-ended, jest to doskonałe rozwiązanie do zastosowań w zegarach czasu rzeczywistego (RTC), urządzeniach o niskim poborze mocy i przenośnych, przemysłowych oraz w Internecie rzeczy (IoT). Jest oferowany w rozmiarach obudów od 2016 do 7050, ze stabilnością częstotliwości od ±20ppm do nieco mniejszej, wynoszącej ±100ppm w zakresie temperatur od -40⁰C do +85⁰C, zależnie od modelu.

Aby zminimalizować średnie zużycie energii, wiele oscylatorów oferuje również funkcję włączania/wyłączania. Na przykład oscylator ECS-5032MV do montażu powierzchniowego o częstotliwości 125MHz z funkcją MultiVolt od 1,6 do 3,6V i wyjściem CMOS, oferowany w ceramicznej obudowie 5032 (ilustracja 8).

Ilustracja 8: oscylator ECS-5032MV o częstotliwości 125MHz przeznaczony jest do montażu powierzchniowego i posiada funkcję włączania/wyłączania, która pomaga oszczędzać energię. (Źródło ilustracji: ECS Inc. International)

Jeden z czterech styków umożliwia przełączenie oscylatora w tryb pogotowia, co zmniejsza wymagane natężenie prądu z wartości aktywnej 35mA do zaledwie 10µA w trybie pogotowia. Po ponownym włączeniu urządzenia czas rozruchu wynosi 5ms.

Dopasowanie specyfikacji do zastosowania

Decyzja o doborze odpowiedniego oscylatora krystalicznego do danego zastosowania polega, jak można się spodziewać, na odpowiedniej równowadze między specyfikacjami, priorytetami, kosztami i ich względną wagą. To coś więcej niż tylko oczywiste zagadnienia dotyczące doboru urządzenia o wymaganej częstotliwości nominalnej, stabilności częstotliwości, fluktuacjach i szumie fazowym oraz innych atrybutach jako oscylatora autonomicznego. Użytkownicy muszą także upewnić się, że sterowanie wyjściowe oscylatora jest kompatybilne z powiązanym obciążeniem i systemem, tak aby parowanie nie spowodowało pogorszenia parametrów działania. Chociaż istnieje wiele takich zagadnień, istnieją pewne ogólne wytyczne:

• Wyjściowy niskonapięciowy sygnał różnicowy (LVDS) wymaga tylko jednego rezystora na odbiorniku, podczas gdy niskonapięciowa logika o dodatnim sprzężeniu emiterowym (LVPECL) wymaga zakończenia zarówno na nadajniku, jak i odbiorniku.
• Technologie LVDS, LVPECL i HCSL mają szybsze przejścia niż CMOS, ale wymagają więcej mocy i najlepiej nadają się do projektów o wysokiej częstotliwości.
• Aby uzyskać najniższy pobór mocy przy częstotliwościach powyżej 150MHz, najlepszym wyborem jest technologia CMOS lub LVDS.
• Technologie LVPECL, LVDS, a następnie CMOS oferują najlepsze parametry fluktuacji przy niższych częstotliwościach.

Podsumowanie

Oscylator krystaliczny oparty na kwarcu jest podstawą wielu układów i systemów. Zagwarantowanie, że parametry działania tej funkcji odpowiadają potrzebom zastosowania, wymaga starannego wyważenia kluczowych parametrów, począwszy od dokładności częstotliwości nominalnej, stabilności względem temperatury oraz innych czynników, takich jak fluktuacje i szumy fazowe. Konieczne jest również dopasowanie formatu sterowania wyjściowego oscylatora do charakterystyki obwodu obciążenia. Oscylatory krystaliczne z grup ECS MultiVolt oferują najwyższe parametry działania i połączenie specyfikacji w kompleksowych, łatwych w użyciu modułach.