Kristāla oscilatoru darbības un dizaina izaicinājumi

Ķēdes hronometrāža ir svarīga funkcija, kas nepieciešama daudzām elektroniskām ierīcēm, tostarp mikrokontrolleriem, USB, Ethernet, Wi-Fi un Bluetooth saskarnēm, kā arī skaitļošanas ierīcēm un perifērijas ierīcēm, medicīnas ierīcēm, testēšanas un mērīšanas iekārtām, rūpnieciskajai vadībai un automatizācijai, lietu internetam (IoT), valkājamām ierīcēm un plaša patēriņa elektronikai. Lai gan sākotnēji var šķist vienkārša kristāla -vadāma oscilatora projektēšana, lai nodrošinātu sistēmas laiku, dizaineriem ir jāņem vērā daudzi parametri un konstrukcijas prasības, saskaņojot kvarca kristālu ar oscilatora IC.

Jāņem vērā vairāki faktori, tostarp kristāla kustības pretestība, rezonanses režīms, piedziņas jauda un oscilatora negatīvā pretestība. Runājot par ķēdes izkārtojumu, dizaineriem ir jāņem vērā PCB parazitārā kapacitāte, jāpievieno aizsargjosla ap kristālu un jāiekļauj -čipu kondensatori. Galīgajam dizainam jābūt kompaktam un uzticamam, ar vismazāko komponentu skaitu, zemu vidējo kvadrātisko (RMS) nervozitāti un minimālu enerģijas patēriņu plašā ieejas sprieguma diapazonā.

Viens no risinājumiem ir vienkāršs iepakots kristāla oscilators (SPXO). Šie nepārtrauktā sprieguma oscilatori ir optimizēti zemam enerģijas patēriņam un zemai RMS nervozitātei, un tie var darboties ar jebkuru spriegumu no 1,60 V līdz 3,60 V, ļaujot dizaineriem panākt risinājumu, ko var integrēt sistēmā ar minimālu projektēšanas piepūli.

Šajā rakstā īsumā tiks apskatītas dažas no svarīgām veiktspējas prasībām, kas jāievēro, un projektēšanas problēmas, kas jāpārvar, izstrādājot laika shēmas, izmantojot diskrētos kvarca kristālus un laika IC. Pēc tam tā iepazīstinās ar Abracon SPXO risinājumiem un paskaidros, kā dizaineri var izmantot šīs ierīces, lai efektīvi izpildītu elektronisko sistēmu laika prasības.

Kristāla oscilatora darbības un dizaina izaicinājumi

Enerģijas patēriņš ir būtisks apsvērums mazām{0}}baterijām darbināmām bezvadu ierīcēm. Daudzas šādas ierīces ir balstītas uz īpaši-zemas enerģijas-sistēmas-uz-čipu (SoC) radio un procesoriem, kas var atbalstīt vairākus gadus ilgu akumulatora darbības laiku. Turklāt, tā kā akumulators bieži vien ir visdārgākā sistēmas sastāvdaļa, tā izmēra samazināšana ir ļoti svarīga, lai kontrolētu ierīces izmaksas. Tomēr gaidīšanas režīma strāva bieži vien ir vissvarīgākais akumulatora darbības laiks mazās bezvadu sistēmās, un gaidīšanas režīmā bieži dominē pulksteņa oscilators. Tāpēc ir ļoti svarīgi samazināt oscilatora pašreizējo patēriņu.

Diemžēl mazjaudas{0}}oscilatora projektēšana var būt sarežģīta. Viena no enerģijas taupīšanas metodēm ir samazināt gaidstāves strāvu, pārejot "atspējotā" stāvoklī un iedarbinot oscilatoru, kad nepieciešams. Tomēr kristāla oscilatora ātra un uzticama iedarbināšana nav viegls uzdevums. Projektētājiem jānodrošina, lai oscilators gaidstāves laikā paliktu zemā-strāvas stāvoklī un tam ir uzticami palaišanas parametri visos darbības un vides apstākļos.

 

 

Pierce oscilatora konfigurācija parasti ir atrodama{0}}mazjaudas bezvadu SoC (1. attēls). Pierce oscilators ir konstruēts, izmantojot kristālu (X) un slodzes kondensatorus (C1 un C2), ko ieskauj invertējošs pastiprinātājs ar iekšējo atgriezeniskās saites rezistoru. Piemērotos apstākļos, kad pastiprinātāja izeja tiek padots atpakaļ uz ieeju, tiek ģenerēta negatīva pretestība, kas izraisa svārstības.

1. attēls. Pierce oscilatora pamata konfigurācija, kas veidota ap kristālu (X) un slodzes kondensatoriem C1 un C2.

 

Kristāla struktūra ir sarežģīta; šī diskusija aptver tikai oscilatoros strādājošo kristālu virsējo slāni un vienkāršoto struktūru.

Slēgtā-cilpas pieauguma robežu Gm var izmantot kā nopelnu skaitli (FOM), lai aprakstītu oscilatora uzticamību attiecībā pret dažādiem zaudējumiem. Slēgtā -cilpas pastiprinājuma rezerve tiek saukta arī par svārstību rezervi (OA). Ja OA vērtība ir mazāka par 5, var rasties zemas ražošanas jaudas un ar temperatūru saistītas palaišanas problēmas. Konstrukcijas, kuru OA vērtība ir 20 vai augstāka, ir izturīgas un izturīgas, uzticami darbojas paredzētajā darba temperatūras diapazonā, un tām ir minimāla dažādu ražošanas partiju ietekme uz kristāla un SoC veiktspējas raksturlielumiem.

Lai izmērītu oscilatora OA, ķēdei var pievienot mainīgo rezistoru Ra (2. attēls). Palieliniet Ra vērtību, līdz oscilators neieslēdzas. Šī ir metode, ko izmanto OA vērtības noteikšanai, kā parādīts tālāk:

1. vienādojums

Kur:

Rn ir negatīvā pretestība

Re ir ekvivalentā sērijas pretestība (ESR).

2. vienādojums

3. vienādojums

Ja slodzes kapacitāti CL aprēķina šādi:

OA ir atkarīga no ESR (Re), un ESR ir atkarīga no kvarca kristāla parametriem Rm un slodzes kapacitātes CL. Mazjaudas oscilatoriem, piemēram, tiem, ko izmanto mazjaudas bezvadu ierīcēs, Rm un CL ietekme uz OA palielinās. OA noteikšana ir laikietilpīga{4}}un var paildzināt izstrādes procesu. Tāpēc šis uzdevums var tikt atstāts novārtā, radot veiktspējas problēmas, kad sistēma vai ierīce tiek nodota ražošanā.

Turklāt augstas OA iestatīšana, lai nodrošinātu uzticamu oscilatora darbību, var izraisīt citas problēmas. Piemēram, lai gan augstāks OA uzlabo oscilatora ķēdes veiktspēju, tas var neņemt vērā kristāla radītos jaudas zudumus. Šādi zaudējumi var būt nozīmīgs faktors. Atsaucoties uz 2. attēlu, kristāla kustības pretestība Rm izraisa jaudas izkliedi, jo strāva periodiski plūst caur rezistoru. Ja CL ir liels, tas palielina gan strāvu, gan zudumus. Tāpēc dizaineriem ir jāsabalansē kristāla jaudas zudums ar saprātīgu OA vērtību.

Izvairīšanās no nervozitātes

Izstrādājot kvarca kristāla oscilatoru, ir svarīgi saprast un samazināt nervozitāti. Trīcei ir divi veidi, ko parasti mēra pēc vidējās kvadrātiskās vērtības (RMS):

Perioda nervozitāte: pazīstama arī kā fāzes nervozitāte. Tas attiecas uz maksimālo laika starpību starp vairākiem izmērītiem svārstību periodiem, kas parasti tiek mērīti vismaz 10 periodos.

Cikla nervozitāte: šī ir maksimālā pulksteņa malas variācija, ko mēra katram ciklam, nevis vairākiem cikliem.

Galvenie nervozitātes avoti kvarca kristāla oscilatoros ir strāvas padeves troksnis, signāla frekvences veselas harmonikas, nepareizi slodzes un izbeigšanas apstākļi, pastiprinātāja troksnis un noteiktas ķēdes konfigurācijas. Atkarībā no avota, lai samazinātu nervozitāti, var izmantot dažādas metodes.

Izmantojiet apvada kondensatorus, mikroshēmu induktorus vai rezistoru{0}}kondensatoru (RC) filtrus, lai kontrolētu strāvas padeves troksni.

Kritiskās lietojumprogrammās, kurām nepieciešama ārkārtīgi zema nervozitāte, ir ļoti svarīgi izveidot harmoniku kontroles metodi (ārpus šī raksta darbības jomas).

Samaziniet jaudu, kas atspoguļojas atpakaļ izejā, optimizējot slodzes un beigu apstākļus.

Izvairieties no dizainiem, kas ietver fāzu{0}}bloķēšanas cilpas, reizinātājus vai programmējamas funkcijas, jo tie bieži palielina nervozitāti.

Nepārtraukta sprieguma kristāla oscilatori

Abracon ASADV, ASDDV un ASEDV SPXO izmantošana ir izdevīga tādu sistēmu projektēšanai, kurās nobīdes spriegums svārstās no 1,60 līdz 3,60 V (3. attēls). SPXO sērija aptver dažādus frekvenču diapazonus; ASADV ierīces darbojas frekvencēs no 1,25 MHz līdz 100 MHz, savukārt ASDDV un ASEDV ierīces darbojas no 1 MHz līdz 160 MHz. Sērija atbilst RoHS/RoHS II standartiem, un tajā tiek izmantots hermētisks keramikas virsmas{9}}montāžas ierīces (SMD) iepakojums. Darba temperatūras diapazonā no -40 grādiem līdz +85 grādiem sērija sasniedz frekvences stabilitāti ±25 ppm.
 

OA ir atkarīga no ESR (Re), un ESR ir atkarīga no kvarca kristāla parametriem Rm un slodzes kapacitātes CL. Mazjaudas oscilatoriem, piemēram, tiem, ko izmanto mazjaudas bezvadu ierīcēs, Rm un CL ietekme uz OA palielinās. OA noteikšana ir laikietilpīga{4}}un var paildzināt izstrādes procesu. Tāpēc šis uzdevums var tikt atstāts novārtā, radot veiktspējas problēmas, kad sistēma vai ierīce tiek nodota ražošanā.

Turklāt augstas OA iestatīšana, lai nodrošinātu uzticamu oscilatora darbību, var izraisīt citas problēmas. Piemēram, lai gan augstāks OA uzlabo oscilatora ķēdes veiktspēju, tas var neņemt vērā kristāla radītos jaudas zudumus. Šādi zaudējumi var būt nozīmīgs faktors. Atsaucoties uz 2. attēlu, kristāla kustības pretestība Rm izraisa jaudas izkliedi, jo strāva periodiski plūst caur rezistoru. Ja CL ir liels, tas palielina gan strāvu, gan zudumus. Tāpēc dizaineriem ir jāsabalansē kristāla jaudas zudums ar saprātīgu OA vērtību.

Izvairīšanās no nervozitātes

Izstrādājot kvarca kristāla oscilatoru, ir svarīgi saprast un samazināt nervozitāti. Trīcei ir divi veidi, ko parasti mēra pēc vidējās kvadrātiskās vērtības (RMS):

Perioda nervozitāte: pazīstama arī kā fāzes nervozitāte, tā attiecas uz maksimālo laika starpību starp vairākiem izmērītiem svārstību periodiem, kas parasti tiek mērīti vismaz 10 periodos.

Cikla nervozitāte: šī ir maksimālā pulksteņa malas variācija, ko mēra katram ciklam, nevis vairākiem cikliem.

Galvenie nervozitātes avoti kvarca kristāla oscilatoros ir strāvas padeves troksnis, signāla frekvences veselas harmonikas, nepareizi slodzes un izbeigšanas apstākļi, pastiprinātāja troksnis un noteiktas ķēdes konfigurācijas. Atkarībā no avota, lai samazinātu nervozitāti, var izmantot dažādas metodes.

Izmantojiet apvada kondensatorus, mikroshēmu induktorus vai rezistoru{0}}kondensatoru (RC) filtrus, lai kontrolētu strāvas padeves troksni.

Kritiskās lietojumprogrammās, kurām nepieciešama ārkārtīgi zema nervozitāte, ir ļoti svarīgi izveidot harmoniku kontroles metodi (ārpus šī raksta darbības jomas).

Samaziniet jaudu, kas atspoguļojas atpakaļ izejā, optimizējot slodzes un beigu apstākļus.

Izvairieties no dizainiem, kas ietver fāzu{0}}bloķēšanas cilpas, reizinātājus vai programmējamas funkcijas, jo tie bieži palielina nervozitāti.

Kopsavilkums

Dizaineriem ir nepieciešami precīzi un uzticami oscilatori, lai nodrošinātu stabilu laiku dažādos lietojumos un darba temperatūrās. Diskrēti kristāla-vadāmie oscilatori var nodrošināt nepieciešamos veiktspējas raksturlielumus, taču ir tehniski sarežģīti izveidot efektīvu dizainu, izmantojot kristālus, kas ir laikietilpīgi- un rada nevajadzīgas izmaksas. Turklāt tie nav optimālā izvēle formas faktora ziņā.

Kā parādīts attēlā, dizaineri var izmantot zemas{0}}jaudas integrētos SPXO. Šie SPXO veido -izmantošanai-gatavu laika noteikšanas risinājumu, panākot izcilu frekvences stabilitāti ļoti plašā darba temperatūras diapazonā. Izmantojot SPXO, dizaineri var samazināt komponentu skaitu, samazināt risinājuma izmēru, samazināt montāžas izmaksas un palielināt uzticamību.