Kristalni oscilatorji, ki temeljijo na kvarčnih kristalih, so osrednja komponenta, odgovorna za natančnost frekvence/merjenje časa in zmogljivost v skoraj vseh elektronskih vezjih. Kot taki, morajo tudi po daljšem času ostati točni in natančni. Seveda »popoln« oscilator obstaja samo v teoriji, zato se načrtovalci soočajo s težavo, kako izbrati pravi oscilator, ki bo ustrezal ciljem zasnove. To ni preprosta naloga.
Ko so bile določene zahteve glede zmogljivosti za namen uporabe, morajo načrtovalci najti pravo rešitev s pravim ravnovesjem zmogljivosti, cene, stabilnosti, velikosti, moči, fizične strukture in pogonskih zmogljivosti za povezano vezje. Da lahko to storijo, morajo razumeti načela delovanja oscilatorja, njegove ključne značilnosti in njegov razvoj.
Ta članek na začetku ponuja pregled osnov kristalnih oscilatorjev, nato pa predstavi različne vidike, povezane z visoko-zmogljivimi moduli kristalnih oscilatorjev. Na podlagi reprezentativnih naprav družbe ECS Inc.,članek na kratko predstavi osnove teh oscilatorjev, nato pa identificira parametre na najvišji in drugi stopnji, skupaj z nekaterimi realističnimi vrednostmi za te parametre. Prikaže tudi, kako se različne enote povezujejo za potrebe nekaterih tipičnih namenov uporabe.
Delovanje kristalnih oscilatorjev
Kristalni oscilatorji predstavljajo srčni utrip ure pri procesorjih, kjer je ključno določanje časa za podatkovne povezave, čas vzorčenja za pretvorbe podatkov in glavno frekvenco v tunerjih in sintetizatorjih. Povedano na preprost način, kvarčni element kristalnega oscilatorja deluje kot resonančni element z izjemno visokim Q znotraj resonančnega vezja oscilatorja (slika 1). Zaradi pomembnosti kristalov in njihovih oscilatorjev, so bili temeljna fizika kvarčnega materiala ter tudi njegove električne in mehanske zmogljivosti, skupaj z različnimi vezji oscilatorjev, obsežno raziskani in analizirani.
Veliko let so uporabniki določali frekvenco kristala in druge ključne značilnosti, nato pa izdelali lastno vezje oscilatorja z vakuumskimi cevi (na začetku), nato tranzistorje in na koncu IC-je. Vezje je bilo običajno kombinacija skrbne analize zasnove in tudi neke vrste »umetnosti« ter presoje na podlagi izkušenj, saj je bilo ogromno medsebojno povezanih fines. Načrtovalec je poskušal uravnovesiti te dejavnike in zagotoviti, da bi se zmogljivost oscilatorja ujemala z »rezom« in značilnostmi kvarčnega kristala, pa tudi s prednostnimi namena uporabe.
Dandanes so zasnove kristalnih oscilatorjev »naredi sam« relativno redke, in sicer zaradi časa in truda, ki sta potrebna, da se doseže ravno pravo začetno zasnovo. Nato sledijo natančne meritve zmogljivosti oscilatorja. To je kompleksna naloga, ki zahteva natančne instrumente ter skrbno nastavitev. Namesto tega lahko za številne namene uporabe načrtovalci kupijo zelo majhen, povsem zaprt modul, ki vključuje tako kvarčni element kot tudi vezje oscilatorja in njegov izhodni gonilnik. Ta očitno zmanjšuje trud in skrajšuje čas pri načrtovanju, saj uporabnik prejme enoto z vsemi ustreznimi značilnostmi in podatkovni list z zajamčenimi specifikacijami.
Opomba o terminologiji: Zaradi zgodovinskih in drugih razlogov inženirji pogosto uporabljajo besedo »kristal«, pri čemer v resnici govorijo o celotnem vezju kristalnega oscilatorja. To običajno ni težava, saj je nameravani namen mogoče razumeti iz konteksta. Vendar pa lahko včasih pride do zmede, saj je še vedno mogoče kupiti kristal kot samostojno komponento in nato zagotoviti ločeno vezje oscilatorja. V tem članku se beseda »oscilator« nanaša na kristal plus njegovo vezje oscilatorja kot modul, ki ga vsebuje, in ne samo na vezje oscilatorja.
Opredelitev značilnosti kristalnih oscilatorjev
Kot pri vsaki komponenti zmogljivost kristalnega oscilatorja prvotno določa nabor parametrov na najvišji ravni. Splošni vrstni red njihove pomembnosti naslednji:
Delovna frekvenca:ta lahko ima razpon od nekaj deset kilohertzov (kHz) do več sto megahertzev (MHz). Oscilatorji za frekvence nad osnovnim dosegom oscilatorja, kot je v razpon gigahertzev (GHz), običajno uporabljajo fazno-sklenjeno zanko (PLL) kot množilnik frekvence za povečanje osnovne frekvence.
Stabilnost frekvence:to je drugi ključni dejavnik lastnosti pri oscilatorjih. Določa odklon izhodne frekvence od prvotne vrednosti zaradi zunanjih pogojev in manjša kot je ta številka, boljše je.
Na stabilnost frekvence vplivajo številni zunanji pogoji in mnogi dobavitelji jih posamezno ovrednotijo, da lahko načrtovalec oceni dejanski vpliv pri posameznem namenu uporabe. Med temi dejavniki so odstopanja, povezana s temperaturo, ob upoštevanju nazivne frekvence pri 25 ⁰C; drugi dejavniki vključujejo dolgoročno stabilnost pri staranju, pa tudi učinke spajkanja, odstopanja v napajalni napetosti in spremembe izhodnega bremena. Pri enotah z visoko zmogljivostjo je običajno opredeljena kot število delov na milijon (ppm) ali število delov na milijardo (ppb), ob upoštevanju nazivne izhodne frekvence.
Fazni šum in drhtenje faze: to sta dva vidika v istem splošnem razredu zmogljivosti. Fazni šum (angl. phase noise) opredeljuje šum ure v domeni frekvence, drhtenje faze (angl. jitter) pa v domeni časa (slika 2).
Glede na namen uporabe bo načrtovalec primarno osredotočen na napake, kot so definirane v eni ali drugi domeni. Fazni šum je običajno definiran kot razmerje šuma v 1-hertzni (Hz) pasovni širini pri podanem frekvenčnem zamiku, fm, na amplitudo signala oscilatorja kot frekvence fO. Fazni šum zmanjšuje natančnost, ločljivost in razmerje med signalom in šumom (SNR) v frekvenčnih sintetizatorjih (slika 3), medtem ko drhtenje faze povzroča napake v času in tako prispeva k povečani pogostnosti pojavljanja napak (BER – Bit Error Rate) v podatkovnih povezavah.
Časovno drhtenje faze povzroča napake v času vzorčenja pri analogno-digitalnih pretvorbah in zato vpliva na SNR ter posledično na frekvenčno analizo s hitro Fourierjevo transformacijo (FFT).
Naprave iz družin standardnih oscilatorjev MultiVolt (MV) družbe ECS Inc. so na voljo s stabilnostmi do ±20 ppm, njihovi oscilatorji s tesno stabilnostjo (SMV) pa ponujajo stabilnosti vse do ±5 ppm. Za še večjo stabilnost pa oscilatorji MultiVolt TCXO ponujajo zmogljivost ±2,5 ppm z izhodi HCMOS in ±0,5 ppm za izhode s prekinjenim sinusnim valom (TCXO in prekinjeni sinusni valovi so razloženi v nadaljevanju).
Ne glede na domeno je fazni šum/drhtenje faze pomemben dejavnik pri zasnovah z visoko zmogljivostjo in ga je treba upoštevati v izračunu napake, hkrati s potrebami namena uporabe. Upoštevajte, da je drhtenja faze več vrst, vključno z absolutnim drhtenjem faze, drhtenjem faze od cikla do cikla, integriranim drhtenjem faze, dolgotrajnim drhtenjem faze in občasnim drhtenjem faze; tudi za fazni šum veljajo različni razponi integracije in tipi, vključno z belim šumom in različnimi »barvami« šuma.
Razumevanje specifik drhtenja faze in faznega šuma na oscilatorju ter vpliva na namen uporabe je lahko pogosto izziv. Specifikacijo je težko pretvoriti iz ene domene v drugo; namesto tega morajo uporabniki gledati podatkovni list. Pomembno je razumeti legitimne, vendar različne definicije dobaviteljev, ki količinsko opredeljujejo zmogljivost ob upoštevanju teh napak v celotnem proračunu napake.
Vrsta in gonilo izhodnega signala: ta se morata ujemati s priključenim bremenom (slika 4). Izhodni gonilni topologiji sta enostranska in diferencialna.
Enostranske oscilatorje je lažje implementirati, vendar so bolj občutljivi na šum in so običajno primernejši samo do nekaj sto megahertzov. Med enostranskimi izhodnimi vrstami so:
• TTL (logika tranzistor-tranzistor): od 0,4 do 2,4 volta (danes redko uporabljeni)
• CMOS (komplementarni kovinsko-oksidni polprevodnik): od 0,5 do 4,5 volta
• HCMOS (visoko-hitrostni CMOS): od 0,5 do 4,5 volta
• LVCMOS (nizko-napetostni CMOS): od 0,5 do 4,5 volta
Različne izhode je težje zasnovati, vendar zagotavljajo boljšo zmogljivost pri visoko-frekvenčnih namenih uporabe, saj se morebitni šum, pogost za diferencialne sledi, izniči. To pomaga ohranjati zmogljivost oscilatorja v bremenskem vezju. Različne vrste signalov so:
• PECL (pozitivna emitorska povezovalna logika): od 3,3 do 4,0 volta
• LVPECL (nizko-napetostni PECL); od 1,7 do 2,4 volta
• CML (logika tekočega načina): od 0,4 do 1,2 vola in 2,6 do 3,3 volta
• LVDS (nizkonapetostno diferencialno signaliziranje): od 1,0 do 1,4 volta
• HCSL (logika visoko-hitrostnega krmiljenja toka): od 0,0 do 0,75 volta
Izbiro signala določajo prioritete namena uporabe in povezano vezje.
Izhodna valovna oblika oscilatorja je lahko klasični eno-frekvenčni sinusni val ali porezani sinusni val (slika 5). Analogni val je »najčistejši« in najmanj podvržen drhtenju faze/faznemu šumu, v primerjavi z uporabo vezja primerjalnika za njegovo pretvorbo v kvadratni val, saj to doda drhtenje faze/fazni šum in tako zmanjša njegovo kakovost. Porezani sinusni val ustvarja izhod, podoben kvadratnemu signalu, ki je združljiv z digitalnimi bremeni, ne da bi pri tem bila na kakršen koli način žrtvovana zmogljivost.
Napajalna napetost in tok:ta dva parametra sta oba znižana, da izpolnjujeta potrebe današnjih nizkonapetostnih in pogosto tudi baterijsko napajanih sistemov. Večina oscilatorjev MultiVolt lahko deluje z napajalnimi napetostmi 1,8 volta, 2,5 volta, 3,0 volte in 3,3 volte.
Velikost ohišja:tako kot delovna napetost in tok, so tudi ohišja oscilatorjev postala manjša. Panoga ponuja nekaj standardiziranih velikosti za enostranske naprave (ki potrebujejo samo štiri priključke), medtem ko imajo diferencialni oscilatorji šest kontaktov in uporabljajo večja ohišja, z naslednjimi dimenzijami, podanim v milimetrih (mm):
1612: 1,6 mm × 1,2 mm
2016: 2,0 mm × 1,6 mm
2520: 2,5 mm × 2,0 mm
3225: 3,2 mm × 2,5 mm
5032: 5,0 mm × 3,2 mm
7050: 7,0 mm × 5,0 mm
V veliki meri gre za temperaturo
Največji zunanji dejavnik, ki vpliva na zmogljivost oscilatorja in jo spreminja, je temperatura. Tudi, če je delovna moč oscilatorja nizka in je tako samosegrevanje oscilatorja skorajda zanemarljivo, na delovno frekvenco vpliva temperatura okolice, saj te spremembe vplivajo na mehanske dimenzije in povzročajo stres za kvarčni kristal. Pomembno je preveriti zmogljivost izbranega oscilatorja v ekstremih pričakovanih razponov. Ti razponi so na splošno opisani kot:
• Komercialni, avtomobilski razred 4: od 0 do +70 °C
• Razširjeni komercialni: od –20 do +70 °C
• Industrijski, avtomobilski razred 3: od –40 do +85 °C
• Razširjeni industrijski, avtomobilski razred 2: od –40 do +105 °C
• Avtomobilski razred 1: od –40 do +125 °C
• Vojaški: od –55 do +125 °C
• Avtomobilski razred 0: Od –40 do +150 °C
Pri nekaterih zasnovah ni pomembna samo zmogljivost pri različnih temperaturah ampak tudi potreba po izpolnjevanju drugih specifikacij zanesljivosti. ECS-2016MVQ je na primer miniaturni oscilator MultiVolt z izhodom HCMOS, namenjen za namestitev na površino, ki deluje pri napetosti od 1,7 do 3,6 volta (slika 6). Keramično ohišje 2016 (2,0 mm × 1,6 mm, v skladu z zgornjim) je visoko 0,85 mm, cilja na zahtevnejše industrijske namene uporabe in ima kvalifikacijo AEC-Q200 (avtomobilski razred) za temperaturne zahteve razreda 1. Na voljo je za frekvence v razponu od 1,5 do 54 MHz v štirih razredih frekvenčne stabilnosti, od ±20 ppm do ±100 ppm pri temperaturi od –40 ⁰C do +85 °C; drhtenje faze je zelo nizko, s samo 1 pikosekundo (ps), merjeno od 12 kHz do 5 MHz.
Za namene uporabe, kjer je lezenje prek delovnega razpona nesprejemljivo visoko, sta na voljo dve napredni implementaciji oscilatorjev: temperaturno kompenzirani kristalni oscilator (TXCO) in kristalni oscilator z nadzorovano temperaturo kristala (OCXO). (Upoštevajte, da je v številnih shemah oznaka za kristal XTAL, »X« pa se uporablja kot krajšava za ta akronim.) TCXO uporablja aktivno vezje za kompenzacijo sprememb v izhodni frekvenci zaradi nihanja temperature. Nasprotno se pri OCXO kristalni oscilator namesti v toplotno izolirano pečico, ki je ogreta in ohranja konstantno temperaturo nad najvišjo temperaturo okolice (pečica, namenjena samo za segrevanje, ne more ohlajati pod temperaturo okolice).
Oscilatorji TCXO zahtevajo dodatno vezje v primerjavi z osnovnim oscilatorjem, vendar precej manj energije kot OCXO s svojo pečico, ki običajno zahteva več vatov. Dodatno je TCXO samo malenkost večji od nekompenzirane enote in veliko manjši kot OCXO. TCXO običajno zagotavlja med 10- in 40-kratno izboljšavo v lezenju v primerjavi z nekompenzirano enoto, medtem ko lahko OXCO zagotovi zmogljivost na področju lezenja, ki je za dva razreda magnitude boljša v primerjavi, vendar za veliko ceno na račun velikosti in moči.
ECS-TXO-32CSMV je oscilator TCXO s prekinjenim sinusnim valom, namenjen za SMD namestitev, ki ponuja tudi zmogljivost MultiVolt (od 1,7 do 3,465 volta napajanja) za frekvence med 10 in 52 MHz (slika 7). 3,225 × 1,2 mm visoko keramično ohišje je zelo primerno za uporabo v prenosnih in brezžičnih napravah, pri katerih je stabilnost kritičnega pomena. Ključne specifikacije kažejo njegovo ekstremno visoko stabilnost v primerjavi s temperaturo, spremembo napajanja, spremembo obremenitve in staranjem, skupaj s skromnimi tokovnim zahtevami pod 2 mA (tabela 1).
Delovanje z nizko porabo energije: pogosta prioriteta
Kljub trendom, ki se nagibajo k vedno višjim frekvencam procesorjev in hitrostim prenosa podatkov, je še vedno prisotna tudi velika potreba po nižjefrekvenčnih kristalnih oscilatorjih za določanje časa v napravah z izjemno nizko porabo energije. Primer: ECS-327MVATX je miniaturni oscilator za SMD namestitev, ki deluje s fiksno frekvenco 32,768 kHz in ponuja zmogljivost MultiVolt (od 1,6 do 3,6 volta). Ker zahteva samo 200 mikroamperov (µA) toka in ima enostranski CMOS izhod, je zelo primeren za uporabo v urah realnega časa (RTC) ter nizko-energijskih/prenosnih, industrijskih napravah in v internetu stvari (IoT). Na voljo je v velikostih ohišja od 2016 do 7050, s stabilnostjo frekvence od tesnih ±20 ppm do nekoliko bolj ohlapnih ±100 ppm v temperaturnem razponu od –40 ⁰C do +85 ⁰C, odvisno od modela.
Številni oscilatorji ponujajo tudi funkcijo omogočenja/onemogočenja, s čimer se zmanjšuje poraba energije. ECS-5032MV je na primer 125MHz oscilator za SMD namestitev s funkcijo delovanja MultiVolt od 1,6 do 3,6 volta in CMOS izhodom, na voljo v keramičnem ohišju 5032 (slika 8).
Eden od štirih kontaktov omogoča preklop oscilatorja v način pripravljenosti, kar zmanjšuje potrebni električni tok s 35 mA aktivne vrednosti na samo 10 mikroamperov (µA) toka v pripravljenosti. Zagonski čas je 5 milisekund (ms) po ponovnem omogočenju enote.
Specifikacije, primerne za način uporabe
Odločanje glede primernega kristalnega oscilatorja za namen uporabe je, kot je mogoče pričakovati, ravnovesje med specifikacijami, prioritetami in ceno ter njihovim relativnim vrednotenjem. Gre za več kot le očitni razmislek o izbiri enote z zahtevano nazivno frekvenco, stabilnostjo frekvence, drhtenjem faze/faznim šumom in drugimi atributi kot samostojnega oscilatorja. Uporabniki morajo prav tako zagotoviti, da je izhodni pogon oscilatorja združljiv s povezanim bremenom in sistemom, da povezovanje ne zmanjša učinkovitosti delovanja. Razmisliti je sicer treba o številnih zadevah,
vendar pa velja nekaj splošnih smernic:
• Izhod LVDS zahteva samo en upor na sprejemniku, medtem ko LVPECL zahteva prekinitev tako na oddajniku kot na sprejemniku.
• LVDS, LVPECL imajo HCSL hitrejše prehode kot CMOS, vendar bodo zahtevali več energije in so bolj primeri za visokofrekvenčne zasnove.
• Za najnižjo porabo energije nad 150 MHz so najboljša izbira oscilatorji CMOS ali LVDS.
• LVPECL, LVDS in CMOS ponujajo najboljšo zmogljivost kar zadeva drhtenje faze in to pri nižjih frekvencah.
Zaključek
Kvarčni kristalni oscilator je srce številnih vezij in sistemov. Če želimo zagotoviti, da bo zmogljivost te funkcije ustrezala zahtevam namena uporabe, je potrebno skrbno uravnoteženje ključnih parametrov, vse od točnosti nazivne frekvence, stabilnosti glede na temperaturo, do drugih dejavnikov, kot sta drhtenje faze in fazni šum. Zahtevana je tudi usklajenost izhodnega pogonskega formata oscilatorja z značilnostmi bremenskega vezja. Kristalni oscilatorji iz družin ECS MultiVolt ponujajo vrhunsko zmogljivost s kombinacijami specifikacij v celovitih modulih, ki so preprosti za uporabo.
Reference
Quartz Crystal Design Parameters
https://ecsxtal.com/news-resources/electronic-components-technical-guides/125-electronic-component-technical-guides/124-quartz-crystal-design-parameters
Oscillator Circuit Design Considerations
https://ecsxtal.com/news-resources/electronic-components-technical-guides/125-electronic-component-technical-guides/126-oscillator-circuit-design-considerations
Clock Oscillator Application Notes
https://ecsxtal.com/news-resources/electronic-components-technical-guides/125-electronic-component-technical-guides/125-clock-oscillator-application-notes
Oscillator Output Types
https://ecsxtal.com/oscillator-output-types
Avtor: Rolf Horn
2021-295
