Jak jednoduše a efektivně plnit požadavky na časování obvodů s nízkou spotřebou pomocí SPXO

Časování obvodů je klíčovou funkcí, kterou vyžaduje celá řada elektronických zařízení včetně mikrokontrolérů, rozhraní USB, Ethernet, Wi-Fi a Bluetooth, jakož i výpočetní zařízení a periferie, zdravotnická zařízení, testovací a měřicí zařízení, průmyslová regulace a automatizace, internet věcí (IoT), nositelná elektronika a spotřební elektronika. Konstruování krystalově řízených oscilátorů k zajištění časování systému se na první pohled jeví jako jednoduchá záležitost, ale konstruktéři musí při přiřazování křemenného krystalu k integrovanému obvodu oscilátoru brát v úvahu řadu parametrů a konstrukčních požadavků.

Mezi mnohé věci, které je třeba zvažovat, patří dynamická impedance krystalu, rezonanční režim, úroveň budiče a negativní odpor oscilátoru. U rozvržení obvodu musí konstruktér myslet na parazitní kapacitu PC desky, zahrnutí ochranného pásma kolem krystalu a kapacitu integrovanou na čipu. Konečný návrh musí být kompaktní a spolehlivý s minimálním počtem součástek, mít jitter s nízkou efektivní hodnotou (RMS) a musí být schopen fungovat v širokém rozsahu vstupního napětí s minimální spotřebou energie.

Jedním z řešení je použití jednoduchých zapouzdřených krystalových oscilátorů (SPXO). Tyto oscilátory s trvalým napětím optimalizované pro nízkou spotřebu energie a jitter s nízkou efektivní hodnotou RMS, navíc s fungováním při jakémkoli napětí mezi 1,60 a 3,60 volty, umožňují konstruktérům implementovat řešení, která k integraci do systémů vyžadují minimální konstrukční úsilí.

V tomto článku jsou stručně rozebrány některé důležité výkonnostní požadavky a výzvy návrhu, které musí být splněny pro úspěšný návrh časovacích obvodů pomocí diskrétních křemenných krystalů a časovacích integrovaných obvodů. Poté představíme řešení SPXO od společnosti Abracon a ukážeme, jak ho mohou konstruktéři použít k efektivnímu a účinnému plnění potřeb časování elektronických systémů.

Výzvy spojené s návrhem a fungováním krystalových oscilátorů

U malých bezdrátových zařízení napájených bateriemi je spotřeba energie důležitým faktorem. Mnoho takových zařízení je založeno na rádiových zařízeních a procesorech se systémem na čipu (SoC) s velmi nízkou spotřebou energie, které mohou podporovat několikaletou životnost baterií. Minimalizace velikosti baterie je také důležitá k řízení nákladů na zařízení, protože baterie může být nejdražší součástí systému. To znamená, že pohotovostní proud je často nejdůležitějším kritériem životnosti baterie v malých bezdrátových systémech a často mu dominuje taktovací oscilátor. Minimalizace odběru proudu oscilátorem je proto kriticky důležitá.

Bohužel návrh oscilátorů s nízkou spotřebou energie může být náročný. Jedním ze způsobů, jak energii ušetřit, je minimalizovat pohotovostní proud přechodem do „deaktivovaného“ stavu a spouštěním oscilátoru podle potřeby. Rychlé a spolehlivé spuštění krystalových oscilátorů však není jednoduché. Konstruktéři musí dbát na to, aby zaručili, že oscilátor bude v pohotovostním režimu odebírat nízký proud a že má spolehlivé spouštěcí charakteristiky ve všech provozních a okolních podmínkách.

V bezdrátových SoC s nízkou spotřebou energie se běžně používá konfigurace Piercova oscilátoru (obrázek 1). Piercův oscilátor je postaven na krystalu (X) a zátěžových kondenzátorech (C₁ a C₂) omotaných invertujícím zesilovačem pomocí interního zpětnovazebního rezistoru. Když je výstup zesilovače přiváděn zpět na vstup, je za správných podmínek výsledkem negativní odpor a dochází k oscilacím.

Obrázek 1: Základní konfigurace Piercova oscilátoru je postavena na základě krystalu (X) a zátěžových kondenzátorů C₁ a C₂. (Zdroj obrázku: společnost Abracon)

Krystaly jsou složité struktury. V tomto článku poskytneme na jejich provoz v oscilátorech pouze zjednodušený pohled bez dalších detailů.

K charakterizování spolehlivosti oscilátoru s ohledem na různé ztráty lze jako faktor výhodnosti („figure of merit“, FOM) použít mez zisku uzavřené smyčky, Gm. Říká se jí také přídavek na oscilaci („oscillation allowance“, OA). Hodnota OA nižší než 5 může mít za následek nižší produkční zisky a problémy se spouštěním související s teplotou. Návrhy s hodnotou OA 20 a vyšší jsou robustní, poskytují spolehlivý provoz v navrženém rozsahu provozních teplot a nejsou citlivé na změny výrobní šarže, pokud jde o výkonové charakteristiky krystalu a SoC.

K měření hodnoty OA oscilátoru se do obvodu přidává variabilní rezistor R_A (obrázek 2). Hodnota R_a se zvyšuje, dokud nelze oscilátor spustit. To je poté hodnota, které se použije k určení OA následujícím způsobem:

 Rovnice 1

Kde:

R_n je negativní odpor

R_e je ekvivalentní sériový odpor (ESR)

 Rovnice 2

 Rovnice 3

Kde se zátěžná kapacita C_L vypočítá pomocí:

 Rovnice 4

Kde Cs je pohyblivá kapacita obvodu, obvykle 3,0 až 5,0 pikofaradů (pF).

Obrázek 2: Piercův oscilátor ukazující rozšířený model krystalu (v rámečku uprostřed) a nastavitelný rezistor (R_a) pro měření přídavku na oscilaci. (Zdroj obrázku: společnost Abracon)

Hodnota OA je závislá na ESR (R_e) a ESR je závislý na parametru R_m křemenného krystalu a zátěžné kapacitě C_L. Dopad hodnot R_m a C_L na přídavek OA roste pro oscilátory s nízkou spotřebou energie, jako jsou oscilátory používané v bezdrátových zařízeních s nízkou spotřebou energie. Měření OA vyžaduje čas a může se zdát, že prodlužuje proces vývoje. V důsledku toho může být přehlížen, což způsobuje problémy s výkonem, když systém nebo zařízení vstoupí do výroby.

Navíc nastavení vysokého OA k zajištění spolehlivé činnosti oscilátoru může mít za následek jiné problémy. Například vysoký OA může vést k vysokému výkonu obvodu oscilátoru, ale mohou být přehlédnuty výkonové ztráty v důsledku krystalu. Tyto ztráty mohou být významným faktorem. Když se podíváme zpět na obrázek 2, cyklováním proudu odporem způsobuje dynamický odpor krystalu R_m rozptylový výkon. S větší hodnotou C_L se zvyšují proud a ztráty. Návrháři musí dosáhnout rovnováhy mezi výkonovými ztrátami v krystalu a rozumnou hodnotou OA.

Zabránění jitteru

Při návrhu oscilátorů s křemennými krystaly je důležité porozumět jitteru a minimalizovat jej. Existují dva typy jitteru, z nichž oba se obvykle měří jako efektivní hodnoty RMS:

• Jitter mezi cykly: Také se nazývá fázový jitter a jde o maximální časový rozdíl mezi několika měřenými obdobími oscilace, obvykle měřenými po dobu minimálně 10 období.
• Jitter pro období: Jedná se o maximální změnu hrany taktovacího signálu a měří se v každém období, ale ne ve více obdobích.

Mezi hlavní zdroje jitteru oscilátorů z křemenného krystalu patří šum napájecího zdroje, celočíselné harmonické frekvence signálu, nevhodné podmínky zátěže a zakončení, šum zesilovače a určité konfigurace obvodů. V závislosti na zdroji lze k minimalizaci jitteru použít několik metod:

• K regulaci šumu napájení použijte obtokové kondenzátory, čipové korálky nebo filtry rezistor–kondenzátor (RC).
• V kritických aplikacích, které vyžadují velmi nízký jitter, je důležité zavést metodu pro řízení harmonických hodnot (je mimo rámec tohoto článku).
• Snižte optimalizací podmínek zátěže a ukončení odražený výkon zpět na výstup.
• Vyhněte se používání návrhů, které obsahují smyčky s fázovým závěsem, násobiče a programovatelné funkce, protože mají tendenci ke zvyšování jitteru.

Krystalové oscilátory s trvalým napětím

Konstruktérům systémů s měnícím se předpětím mezi 1,60 a 3,60 V může přinést prospěch používání SPXO ASADV, ASDDV a ASEDV od společnosti Abracon (obrázek 3). Tyto řady SPXO pokrývají různé frekvenční rozsahy: 1,25 MHz až 100 MHz u zařízení ASADV a 1 MHz až 160 MHz u zařízení ASDDV a ASEDV. Vyhovují směrnici RoHS / RoHS II a jsou dodávány v hermeticky uzavřených pouzdrech s montáží na keramický povrch (SMD). Jejich frekvenční stabilita je ±25 částic na milion (ppm) v celém rozsahu jejich provozních teplot od −40 °C do +85 °C.

Obrázek 3: SPXO ASADV (na obrázku), ASDDV a ASEDV jsou umístěny v hermeticky uzavřených keramických pouzdrech a mohou být v provozu od −40 °C do +85 °C. (Zdroj obrázku: společnost Abracon)

Model ASADV měří 2,0 × 1,6 × 0,8 mm, ASDDV měří 2,5 × 2,0 × 0,95 mm a ASEDV měří 3,2 × 2,5 × 1,2 mm. Tyto tři řady jsou k dispozici s řadou běžných rozsahů provozních teplot, možnostmi stability a výstupním formátem kompatibilním s CMOS/HCMOS/LVCMOS.

Důležité je, že řady ASADV, ASDVD a ASEDV jsou optimalizovány pro provoz při nízkém proudu (obrázek 4). Funkce aktivace/deaktivace výstupu snižuje proud na pouze 10 μA při deaktivaci. Produkty mají maximální dobu spouštění 10 ms.

Obrázek 4: Zobrazena je spotřeba proudu modelu ASEDV versus přívodní napětí, které je typické pro výkon této řady SPXO (měřeno při 25 °C ±3 °C). (Zdroj obrázku: společnost Abracon)

Všechny tři řady SPXO mají obzvláště nízkou spotřebu proudu. U modelu ASADV se maximální proud (měřeno do zátěže 15 pF při 25 °C) pohybuje od 1,0 mA při 1,25 MHz a napájecím napětí 1,8 V až po 14,5 mA při 81 MHz a napájecím napětí 3,3 voltu. U modelů ASDDV a ASEDV se maximální proud pohybuje od 1,0 mA při 1 MHz a napájecím napětí 1,8 V až po 19 mA při 157 MHz a napájecím napětí 3,3 voltu.

Zařízení mohou zvládat více zátěží a mají dobrý výkon v oblasti elektromagnetického rušení (EMI) a nízkého jitteru. Jsou specifikována pro fázový jitter RMS <1,0 ps a periodický jitter max. 7,0 ps.

SPXO také poskytují dobrou frekvenční stabilitu v celém svém rozsahu provozních teplot (obrázek 5). V mnoha aplikacích mohou být tyto oscilátory použity jako miniaturní řešení, která vyžadují malou konstrukční práci. Zařízení také eliminují potřebu výběru oscilátoru specifického pro předpětí a odstraňují odchylky frekvence závislé na předpětí.

Obrázek 5: Tyto SPXO mají dobrou frekvenční stabilitu v celém rozsahu provozních teplot. Tento graf je pro řadu ASEDV typický. (Zdroj obrázku: společnost Abracon)

Když nakonec nejsou otřesy a vibrace kritickými aspekty, které je nutné zvažovat, lze krystalové oscilátory ASADV, ASDVD a ASEDV s trvalým napětím a pro povrchovou montáž použít k zajištění levnější alternativy k oscilátorům mikroelektromechanických systémů (MEMS).

Závěr

Konstruktéři potřebují přesné a spolehlivé oscilátory k zajištění stabilního časování v celé řadě aplikací a provozních teplot. Diskrétní krystaly řízené oscilátory mohou splňovat požadované výkonnostní charakteristiky, ale efektivní design s krystaly může být technicky obtížný, časově náročný, zbytečně nákladný a méně optimální s ohledem na tvarový faktor.

Jak jsme si ukázali, konstruktéři mohou místo toho použít integrované SPXO s nízkou spotřebou, které vytvářejí v širokém rozsahu provozních teplot řešení časování s dobrou frekvenční stabilitou. Pomocí SPXO mohou konstruktéři snížit počet součástí, zmenšit velikost řešení, snížit náklady na montáž a zlepšit spolehlivost.

Doporučeno k přečtení:

Jak vybrat a efektivně aplikovat oscilátor