Časovanie obvodu je kritickou funkciou, ktorú vyžadujú mnohé elektronické zariadenia vrátane mikrokontrolérov, rozhraní USB, Ethernet, Wi{0}}Fi a Bluetooth, ako aj výpočtové zariadenia a periférne zariadenia, lekárske zariadenia, testovacie a meracie zariadenia, priemyselné riadenie a automatizácia, internet vecí (IoT), nositeľné zariadenia a spotrebná elektronika. Aj keď sa návrh kryštálom-riadeného oscilátora na zabezpečenie systémového časovania môže zdať spočiatku jednoduchý, dizajnéri musia pri spájaní kremenného kryštálu s integrovaným obvodom oscilátora zvážiť množstvo parametrov a konštrukčných požiadaviek.
Je potrebné zvážiť niekoľko faktorov, vrátane impedancie pohybu kryštálu, rezonančného režimu, výkonu pohonu a záporného odporu oscilátora. Pokiaľ ide o usporiadanie obvodov, dizajnéri musia brať do úvahy parazitnú kapacitu PCB, pridať ochranný pás okolo kryštálu a začleniť na-čipové kondenzátory. Konečný dizajn musí byť kompaktný a spoľahlivý, s čo najmenším počtom komponentov, nízkym chvením (RMS) a minimálnou spotrebou energie v širokom rozsahu vstupného napätia.
Jedným z riešení je jednoduchý zabalený kryštálový oscilátor (SPXO). Tieto kontinuálne napäťové oscilátory sú optimalizované pre nízku spotrebu energie a nízky RMS jitter a môžu pracovať pri akomkoľvek napätí medzi 1,60 V a 3,60 V, čo umožňuje konštruktérom dosiahnuť riešenie, ktoré možno integrovať do systému s minimálnym konštrukčným úsilím.
Tento článok bude stručne diskutovať o niektorých dôležitých výkonnostných požiadavkách, ktoré musia byť splnené, a návrhových výzvach, ktoré je potrebné prekonať pri navrhovaní časovacích obvodov pomocou diskrétnych kremenných kryštálov a časovacích integrovaných obvodov. Potom predstaví riešenia SPXO spoločnosti Abracon a vysvetlí, ako môžu dizajnéri použiť tieto zariadenia na efektívne splnenie požiadaviek na časovanie elektronických systémov.
Výzvy týkajúce sa prevádzky a dizajnu kryštálového oscilátora
Spotreba energie je kritickým faktorom pri malých{0}}batériách napájaných bezdrôtových zariadení. Mnoho takýchto zariadení je založených na ultra{2}}nízkom{3}}systéme{4}}na{5}}čipoch (SoC) a procesoroch, ktoré podporujú výdrž batérie až niekoľko rokov. Navyše, keďže batéria je často najdrahším komponentom v systéme, minimalizácia jej veľkosti je rozhodujúca pre kontrolu nákladov na zariadenie. To znamená, že pohotovostný prúd je často najdôležitejším aspektom životnosti batérie v malých bezdrôtových systémoch a pohotovostnému prúdu často dominuje hodinový oscilátor. Preto je kľúčové minimalizovať spotrebu prúdu oscilátora.
Bohužiaľ, návrh oscilátora s nízkym{0}}výkonom môže byť náročný. Jednou z metód šetrenia energie je minimalizácia pohotovostného prúdu prepnutím do „deaktivovaného“ stavu a spustením oscilátora v prípade potreby. Požadovať rýchly a spoľahlivý štart kryštálového oscilátora však nie je ľahká úloha. Konštruktéri musia zabezpečiť, aby oscilátor zostal počas pohotovostného režimu v stave nízkeho prúdu- a mal spoľahlivé štartovacie charakteristiky za všetkých prevádzkových a okolitých podmienok.
Konfigurácia oscilátora Pierce sa bežne vyskytuje v bezdrôtových SoC s nízkym{0}}výkonom (obrázok 1). Pierceov oscilátor je skonštruovaný pomocou kryštálu (X) a zaťažovacích kondenzátorov (C1 a C2), obklopených invertujúcim zosilňovačom s interným spätnoväzbovým odporom. Za vhodných podmienok, keď je výstup zosilňovača privedený späť na vstup, vzniká záporný odpor, ktorý vedie k oscilácii.
Obrázok 1: Základná konfigurácia oscilátora Pierce postavená okolo kryštálu (X) a zaťažovacích kondenzátorov C1 a C2.
Kryštálová štruktúra je zložitá; táto diskusia pokrýva iba vrchnú vrstvu a zjednodušenú štruktúru kryštálov pracujúcich v oscilátoroch.
Marža zisku v uzavretej{0} slučke Gm sa môže použiť ako hodnota (FOM) na opísanie spoľahlivosti oscilátora vo vzťahu k rôznym stratám. Marža zisku v uzavretej-slučke sa tiež označuje ako oscilačná marža (OA). Hodnota OA nižšia ako 5 môže viesť k nízkej priepustnosti produkcie a problémom so spustením-v súvislosti s teplotou. Dizajny s hodnotou OA 20 alebo vyššou sú robustné a odolné, fungujú spoľahlivo v rámci konštrukčného rozsahu prevádzkových teplôt a vykazujú minimálny vplyv rôznych výrobných šarží na výkonové charakteristiky kryštálov a SoC.
Na meranie OA oscilátora je možné do obvodu pridať premenlivý odpor Ra (obrázok 2). Zvyšujte hodnotu Ra, kým sa oscilátor nespustí. Toto je metóda používaná na určenie hodnoty OA, ako je uvedené nižšie:
Rovnica 1
kde:
Rn je záporný odpor
Re je ekvivalentný sériový odpor (ESR).
Rovnica 2
Rovnica 3
Ak sa zaťažovacia kapacita CL vypočíta takto:
4. rovnica
kde Cs je premenlivý kondenzátor obvodu s hodnotou kapacity typicky medzi 3,0 a 5,0 pF.
Obrázok 2: Zobrazuje model rozšíreného kryštálu (stredný rámček) a nastaviteľný odpor (Ra) používaný na meranie okraja oscilácií.
OA závisí od ESR (Re) a ESR závisí od parametrov kremenného kryštálu Rm a zaťažovacej kapacity CL. V prípade oscilátorov s nízkym{1}}výkonom, ako sú tie, ktoré sa používajú v bezdrôtových zariadeniach s-nízkym výkonom, sa vplyv Rm a CL na OA zvyšuje. Meranie OA je časovo-náročné a môže predĺžiť proces vývoja. Preto môže byť táto úloha zanedbaná, čo vedie k problémom s výkonom pri uvedení systému alebo zariadenia do výroby.
Okrem toho nastavenie vysokého OA na zabezpečenie spoľahlivej prevádzky oscilátora môže spôsobiť ďalšie problémy. Napríklad, zatiaľ čo vyšší OA zlepšuje výkon obvodu oscilátora, môže prehliadať straty energie spôsobené kryštálom. Takéto straty môžu byť významným faktorom. S odkazom na obrázok 2, odpor pohybu kryštálu Rm spôsobuje stratu energie, keď prúd periodicky preteká cez odpor. Keď je CL veľký, zvyšuje prúd aj straty. Preto musia dizajnéri vyvážiť stratu výkonu kryštálu s primeranou hodnotou OA.
Vyhýbanie sa chveniu
Pri navrhovaní oscilátora z kremenného kryštálu je dôležité pochopiť a znížiť jitter. Jitter má dva typy, ktoré sa zvyčajne merajú podľa strednej štvorcovej hodnoty (RMS):
Jitter periódy: Tiež známy ako fázový jitter, označuje maximálny časový rozdiel medzi niekoľkými meranými periódami oscilácií, zvyčajne meranými počas najmenej 10 periód.
Jitter cyklu: Toto je maximálna odchýlka v hodinovej hrane, meraná pre každý cyklus a nie pre viaceré cykly.
Primárne zdroje jitteru v kryštálových oscilátoroch zahŕňajú šum napájacieho zdroja, celočíselné harmonické frekvencie signálu, nesprávne podmienky zaťaženia a ukončenia, šum zosilňovača a určité konfigurácie obvodov. V závislosti od zdroja je možné použiť rôzne metódy na minimalizáciu jitteru.
Na reguláciu hluku napájacieho zdroja použite obtokové kondenzátory, čipové tlmivky alebo filtre rezistorových{0}}kondenzátorov (RC).
V kritických aplikáciách vyžadujúcich extrémne nízky jitter je rozhodujúce vytvorenie metódy na kontrolu harmonických (nad rámec tohto článku).
Znížte výkon odrazený späť na výstup optimalizáciou zaťaženia a podmienok ukončenia.
Vyhnite sa návrhom, ktoré obsahujú fázovo{0}}uzamknuté slučky, multiplikátory alebo programovateľné funkcie, pretože často zvyšujú jitter.
Kryštálové oscilátory so spojitým napätím
Použitie ASADV, ASDDV a ASEDV SPXO od Abracon je výhodné pri navrhovaní systémov, kde sa predpätie pohybuje medzi 1,60 a 3,60 V (obrázok 3). Séria SPXO pokrýva rôzne frekvenčné rozsahy; Zariadenia ASADV pracujú na frekvenciách od 1,25 MHz do 100 MHz, zatiaľ čo zariadenia ASDDV a ASEDV pracujú od 1 MHz do 160 MHz. Séria je v súlade s normami RoHS/RoHS II a používa zapečatené keramické-balenie zariadenia na povrchovú montáž (SMD). V rozsahu prevádzkových teplôt od -40 stupňov do +85 stupňov dosahuje séria frekvenčnú stabilitu ±25 ppm.
OA závisí od ESR (Re) a ESR závisí od parametrov kremenného kryštálu Rm a zaťažovacej kapacity CL. V prípade oscilátorov s nízkym{1}}výkonom, ako sú tie, ktoré sa používajú v bezdrôtových zariadeniach s-nízkym výkonom, sa vplyv Rm a CL na OA zvyšuje. Meranie OA je časovo-náročné a môže predĺžiť proces vývoja. Preto môže byť táto úloha zanedbaná, čo vedie k problémom s výkonom pri uvedení systému alebo zariadenia do výroby.
Okrem toho nastavenie vysokého OA na zabezpečenie spoľahlivej prevádzky oscilátora môže spôsobiť ďalšie problémy. Napríklad, zatiaľ čo vyšší OA zlepšuje výkon obvodu oscilátora, môže prehliadať straty energie spôsobené kryštálom. Takéto straty môžu byť významným faktorom. S odkazom na obrázok 2, odpor pohybu kryštálu Rm spôsobuje stratu energie, keď prúd periodicky preteká cez odpor. Keď je CL veľký, zvyšuje prúd aj straty. Preto musia dizajnéri vyvážiť stratu výkonu kryštálu s primeranou hodnotou OA.
Vyhýbanie sa chveniu
Pri navrhovaní oscilátora z kremenného kryštálu je dôležité pochopiť a znížiť jitter. Jitter má dva typy, ktoré sa zvyčajne merajú podľa strednej štvorcovej hodnoty (RMS):
Jitter periódy: Tiež známy ako fázový jitter, označuje maximálny časový rozdiel medzi niekoľkými meranými periódami oscilácií, zvyčajne meranými počas najmenej 10 periód.
Jitter cyklu: Toto je maximálna odchýlka v hodinovej hrane, meraná pre každý cyklus a nie pre viaceré cykly.
Primárne zdroje jitteru v kryštálových oscilátoroch zahŕňajú šum napájacieho zdroja, celočíselné harmonické frekvencie signálu, nesprávne podmienky zaťaženia a ukončenia, šum zosilňovača a určité konfigurácie obvodov. V závislosti od zdroja je možné použiť rôzne metódy na minimalizáciu jitteru.
Na reguláciu hluku napájacieho zdroja použite obtokové kondenzátory, čipové tlmivky alebo filtre rezistorových{0}}kondenzátorov (RC).
V kritických aplikáciách vyžadujúcich extrémne nízky jitter je rozhodujúce vytvorenie metódy na kontrolu harmonických (nad rámec tohto článku).
Znížte výkon odrazený späť na výstup optimalizáciou zaťaženia a podmienok ukončenia.
Vyhnite sa návrhom, ktoré obsahujú fázovo{0}}uzamknuté slučky, multiplikátory alebo programovateľné funkcie, pretože často zvyšujú jitter.
Zhrnutie
Dizajnéri požadujú presné a spoľahlivé oscilátory, ktoré poskytujú stabilné časovanie v širokom rozsahu aplikácií a prevádzkových teplôt. Diskrétne kryštálové-riadené oscilátory môžu spĺňať požadované výkonnostné charakteristiky, ale efektívne navrhnúť pomocou kryštálov je technicky náročné, čo je časovo-náročné a vedie k zbytočným nákladom. Okrem toho nie sú optimálnou voľbou z hľadiska tvarového faktora.
Ako je znázornené na obrázku, dizajnéri môžu využiť nízkoenergetické integrované moduly SPXO. Tieto SPXO tvoria riešenie časovania pripravené-na{3}}použitie a dosahujú vynikajúcu frekvenčnú stabilitu vo veľmi širokom rozsahu prevádzkových teplôt. Pomocou SPXO môžu dizajnéri znížiť počet komponentov, minimalizovať veľkosť riešenia, znížiť náklady na montáž a zvýšiť spoľahlivosť.