Digi-Key Electronics
Avtor: Pat Sagsveen
2018_259_23
Oscilator je naprava, ki prek izhodnih priključkov generira izmenični signal. Ime izhaja iz izraza »oscilacija«, ki se ga lahko opredeli kot »premikanje naprej in nazaj pri konstantni hitrosti«. Oscilator ustvarja tak signal tako, da pretvori enosmerno napetost na vhodu v izmenično ponavljajočo se napetost na izhodnih priključkih. Oscilator vključuje ojačevalnik in filtrirno/povezovalno vezje, ki deluje na podlagi pozitivne povratne zanke.
Ti elementi so najpogosteje na voljo v hermetično zaprtem ohišju. Oscilatorji se lahko uporabljajo za različne namene, na primer nadzor hitrosti digitalnega procesorja, ustvarjanje signala ure oziroma izgradnjo generatorja ali sprejemnika radijskih valov. Danes je na trgu na voljo več različnih vrst oscilatorjev, vključno s kristalnimi oscilatorji, MEMS-oscilatorji, napetostno krmiljenimi kristalnimi oscilatorji, temperaturno kompenziranimi kristalnimi oscilatorji in številnimi drugimi. Ta članek opisuje nekatere najpomembnejše vrste oscilatorjev in nekatere tipične izraze, ki se uporabljajo v panogi, ter kako lahko te oscilatorje najdete na spletnem mestu Digi-Key.
Med najbolj ključne parametre oscilatorja sodijo delovna frekvenca, napajalna napetost, izhodni signal in stabilnost frekvence. Za oscilator so sicer pomembni tudi drugi parametri, vendar so zgoraj navedeni najpomembnejši. Po vseh teh parametrih lahko iščete na spletnem mestu Digi-Key na strani »Oscillators« (Oscilatorji). Če poznate želeno frekvenco, lahko filtrirate vse druge možnosti, ki za vas niso ključne. To storite tako, da odprete zavihek »Frequency« (Frekvenca), označite želeno frekvenco in nato kliknete gumb »Apply Filters« (Uporabi filtre). Slika 1 prikazuje primer iskanja oscilatorja s frekvenco 32,768 kHz. Na sliki 1 je frekvenca prikazana na desni strani, gumb za uporabo filtrov pa spodaj levo.
Kristalni oscilator (XO)
Obstaja več vrst oscilatorjev. Najbolj priljubljen je kristalni oscilator (XO). Kvarčni kristali sodijo med najbolj priljubljene načine za ustvarjanje signala ure. »Kristalni oscilator« je bil po teh kristalih tudi poimenovan. Tvori ga ne samo kristal, temveč tudi vezje, zasnovano za ustvarjanje določene vrste signala, ki je primeren za določeno obremenitev. Pri tem kristal določa fiksno frekvenco. Poleg frekvence je treba upoštevati tudi vrsto izhoda. Če naprava potrebuje uro s signalom TTL, potem je treba izbrati oscilator z izhodnim signalom TTL. Primer takega oscilatorja je ASE-48.000MHZ-LC-T podjetja Abracon LLC.
Na spodnjem delu strani izdelka ASE-48.000MHZ-LC-T je razdelek »Associated Product« (Povezani izdelki) z dodatno opremo za preizkušanje oscilatorja. Digi-Key običajno navaja dodatno opremo na spodnjem delu strani posameznega izdelka, da lahko stranke preprosto najdejo povezane izdelke, če so ti na voljo, kot je prikazano na sliki 3. Stran z dodatno opremo se prikaže s preprostim klikom na hiperpovezavo AXS-3225-04-10.
Oscilatorji so pogosto na voljo v okviru serije tj. skupine izdelkov, ki si jo lasti določeno podjetje, za katere veljajo podobne sheme oštevilčevanja delov. Tudi za izdelek ASE-48.000MHZ-LC-T velja podobna shema oštevilčenja delov. Shema oštevilčenja običajno vsebuje predpono, ki označuje serijo, kateri oscilator pripada. Za predpono je običajno navedena frekvenca v MHz. Mogoča je tudi navedba delovne temperature. Najpogostejša razpona temperature sta od –20 ˚C do približno 70 ˚C in od –40 ˚C do približno 85 ˚C. Stabilnost frekvence je načeloma navedena. Glede na slovar izrazov, ki ga zagotavlja podjetje Abracon, je stabilnost frekvence »največje dovoljeno odstopanje frekvence v celotnem razponu delovne temperature glede na frekvenco, izmerjeno pri 25 ˚C«. Serija ASE ima samo izhode CMOS, zato vrste izhodov niso bile navedene v dokumentaciji. Oscilatorji so izdelani, da napajajo določeno breme. Kristal in nihajno vezje lahko ustvarita izhodni signal na logičnem nivoju. Obstaja več različnih vrst izhodov, med katerimi je treba izbrati glede na potrebe logike, na primer TTL, CMOS, HCMOS in prekinjeni sinusni val. Priporočljivo je, da si uporabnik ogleda dokumentacijo naprave, ki deluje na podlagi signala ure, ki ga ustvari oscilator. V dokumentaciji so navedeni podatki o vrsti logičnega izhoda, ki ga mora oscilator ustvariti. Slika 4 prikazuje shemo oštevilčenja delov za serijo ASE.
Pogosto je številko mogoče sestaviti s pomočjo orodja za sestavljanje številk delov, podobnega tistemu na sliki 3, vendar zaloga za to številko ne bo nikjer zabeležena. Razlog je veliko število možnih številk. Čeprav lahko proizvajalec sestavi vse dele, ki jih označujejo možne številke, stranka pogosto ne potrebuje nekaterih možnih kombinacij. Če obstaja potreba po delu s številko, ki ustreza shemi oštevilčenja, vendar ga Digi-Key trenutno ne navaja, ga je vseeno mogoče naročiti. To je naročilo izven kataloga. Digi-Key številko dela posreduje proizvajalcu ter ga povpraša po ceni in razpoložljivosti. Ker teh delov Digi-Key običajno nima na zalogi, je za ta naročila treba naročiti določeno najmanjše število kosov. Za naročilo izven kataloga se obrnite na aplikacijskega inženirja na številki 1-800-344-4539.
MEMS-oscilator
Oscilatorji na osnovi sistemov MEMS ustvarjajo iste izhode kot kristalni oscilatorji, vendar na drugačen način. Kratica MEMS označuje mikroelektromehanske sisteme. Oscilator uporablja jedkani silicij v čipu, ki deluje kot glasbene vilice z resonančno frekvenco. Izdelovalni postopek kristalnega oscilatorja vključuje dve tehnologiji. Najprej je treba izdelati kvarčni čip, kar je težavno in drago. Nato ga je treba združiti z nihajnim vezjem, kar izdelovalnemu postopku doda še en korak. To poveča stroške in podaljša postopek. Pri izdelavi MEMS-oscilatorjev se uporablja tehnologija silicija, katere izdelava je avtomatizirana in cenejša od izdelave kvarčnega kristala. Cena končnega izdelka je tako nižja. MEMSoscilatorji običajno porabijo manj toka od kristalnih oscilatorjev, zato so odlična izbira za naprave z baterijskim napajanjem. Prav tako so bolj odporni na močne tresljaje in udarce od kristalnih oscilatorjev. Primer MEMS-oscilatorja je SIT8808BI-73-18S-25.000000G podjetja SiTIME.
Če stranka išče oscilator SIT8808BI-73-18S-25.000000G na spletnem mestu Digi-Key, lahko hitro najde tudi podobne izdelke. To stori tako, da odpre razdelek »Product Attributes« (Lastnosti izdelka) na strani izdelka. Morda stranka želi MEMS-oscilator, kot je SIT8808BI-73-18S-25.000000G, vendar z drugačno frekvenco. Iskanje je mogoče izvesti na podlagi parametrov neposredno v razdelku »Product Attributes« (Lastnosti izdelka), in sicer tako, da se s klikom označi polje na desni strani želene lastnosti. Če stranka potrebuje MEMS-oscilator z možnostjo preklopa v stanje pripravljenosti ter izhodom LVCMOS z 1,8V napajanjem in stabilnostjo frekvence +/–50 ppm, lahko klikne ustrezna polja, kot je prikazano na sliki 5, in nato klikne gumb za iskanje spodaj desno. V času pisanja tega članka je bilo na strani Oscillator (Oscilator) 264.150 možnosti, opisani ukrep pa je število zmanjšal na 47 najbolj ustreznih.
Napetostno krmiljeni oscilatorji (VCXO)
Kot nakazuje že samo ime, lahko napetostno krmiljeni oscilatorji spremenijo frekvenco glede na različne vhodne napetosti. Običajno so opremljeni s krmilnim priključkom, ki lahko na podlagi različnih vhodnih napetosti spreminja izhodno napetost. Proizvajalci običajno navedejo krmilno napetost (»Control Voltage«) v dokumentaciji: to je napetost, s katero krmilimo izhodno frekvenco. V izdelkih s kristalom frekvenco krmili varikap dioda. Varikap dioda spreminja svojo notranjo kapacitivnost glede na vhodno napetost. Varikap dioda je dioda, priključena v zaporni smeri, ki spreminja kapacitivnost glede na velikost izpraznjene plasti. Z večjo napetostjo se izpraznjena plast veča, kar zmanjša kapacitivnost. To uporabniku omogoča, da krmili izhodno frekvenco oscilatorja. To je lahko zelo uporabno na primer v fazno sklenjeni zanki ali vezju, ki mora uskladiti delovanje glede na temperaturo. Frekvenco napetostno krmiljenega oscilatorja je mogoče samodejno krmiliti s povratno zanko na krmilnem priključku. Še en podatek, na katerega je treba biti pozoren v dokumentaciji, je absolutni nadzorovani razpon (»Absolute Pull Range«). Izraz označuje frekvenčno območje, ki se ga lahko krmili ne glede na okoljske pogoje ali pogoje staranja. Primer napetostno krmiljenega oscilatorja je 357LB3I027M000 podjetja CTS-Frequency Controls na sliki 6.
Temperaturno kompenzirani oscilator (TCXO)
Naloga temperaturno kompenziranih oscilatorjev je uskladiti delovanje glede na temperaturne spremembe, ki vplivajo na izhodno frekvenco. Uporabni so za naprave z dinamičnimi okolji. Mobilni telefon je dober primer naprave, ki je prek svoje življenjske dobe izpostavljena toploti in mrazu. Mikroprocesor v pametnem telefonu je izpostavljen toplemu in mrzlemu vremenu, vendar se od njega pričakuje, da deluje enako v vseh pogojih. Temperaturno kompenzirani oscilator uporablja kompenzacijsko vezje, ki delovanje prilagaja glede na temperaturne spremembe. Ti oscilatorji so vmesni člen med napetostno krmiljenim oscilatorjem in oscilatorjem z nadzorovano temperaturo kristala (OCXO), ki je dražji in porabi več energije od običajnega temperaturno kompenziranega oscilatorja. Kompenzacijsko vezje je običajno sestavljeno iz termistorjev in varikap diode. Varikap dioda spreminja obremenitev na kristalu glede na izhodno napetost kompenzacijskega vezja. Deluje podobno kot napetostno krmiljeni oscilator, vendar je opremljen tudi s termistorji, ki pomagajo uskladiti delovanje glede na temperaturo. Primer temperaturno kompenziranega oscilatorja je ASTX-H11-12.000MHZ podjetja Abracon na sliki 7.
Zaključek
O oscilatorjih bi lahko povedali še veliko več, kot zajema ta članek. Osnovni cilj je bil predstaviti različne vrste oscilatorjev, ki so primerni za različne uporabe. Čeprav vsi ustvarjajo signal ure za napravo, to dosežejo na različne načine. Številni izdelki, ki jih ponuja Digi-Key, vsebujejo več različnih vrst oscilatorjev, omenjenih v tem članku. Upamo, da je članek dober uvod za učenca, ki se z oscilatorji šele spoznava, kot tudi za inženirja, ki potrebuje pomoč pri začetnih korakih na spletnem mestu Digi-Key.
