Porozumění principům krystalového oscilátoru pro optimalizaci výběru součástí

Krystalové oscilátory na bázi křemene jsou základní složkou odpovědnou za přesnost a výkonnost frekvence/časování téměř ve všech elektronických obvodech. Proto se od nich očekává preciznost a přesnost v průběhu času. „Dokonalý“ oscilátor samozřejmě existuje pouze teoreticky, takže problém pro konstruktéry je ten správný oscilátor, který splní cíle návrhu. To není snadný úkol.

Jakmile jsou pro aplikaci stanoveny požadavky na výkon, musí konstruktéři najít řešení se správnou rovnováhou mezi výkonem, náklady, stabilitou, velikostí, výkonem, fyzickou strukturou a schopnostmi pohonu pro příslušné obvody. K tomu potřebují porozumět principům fungování oscilátoru, klíčovým charakteristikám a tomu, jak se vyvinuli.

Tento článek poskytne přehled základních informací o krystalovém oscilátoru, než se podíváme na různé pohledy související s vysoce výkonnými moduly krystalových oscilátorů. Poté pomocí reprezentativních zařízení od firmy ECS Inc. krátce prověří základy těchto oscilátorů před identifikací parametrů nejvyšší a druhé úrovně spolu s některými realistickými hodnotami pro tyto parametry. Ukáže také, jak jsou různé jednotky přizpůsobeny potřebě některých typických aplikací.

Jak fungují krystalové oscilátory

Krystalové oscilátory zajišťují taktování procesoru, časování bitů pro datové spoje, čas vzorkování pro datové převody a hlavní frekvenci v tunerech a syntezátorech. Zjednodušeně řečeno, křemenný prvek krystalového oscilátoru působí jako rezonanční součástka s extrémně vysokým Q ve zpětnovazební síti obvodu oscilátoru (obrázek 1). Vzhledem k důležitosti krystalů a jejich oscilátorů byla důkladně prozkoumána a analyzována základní fyzika křemenného materiálu i jeho elektrická a mechanická výkonnost spolu s různými obvody oscilátoru.

Obrázek 1: Použitím piezoelektrického jevu funguje krystal jako stabilní a přesný rezonanční prvek s vysokým Q ve zpětnovazební smyčce obvodu oscilátoru. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International, upravené)

Po mnoho let uživatelé určovali frekvenci krystalu a další klíčové charakteristiky, poté navrhli vlastní samostatný obvod oscilátoru s elektronkami (v počátcích), poté s tranzistory a nakonec s integrovanými obvody. Tento obvod byl obvykle kombinací pečlivé analýzy designu a úsudku založeného na jistém "umění“ a zkušenostech, protože existovalo mnoho vzájemně propojených detailů. Konstruktér se pokoušel vyvážit tyto faktory tak, aby výkon oscilátoru odpovídal „řezu“ a vlastnostem křemenného krystalu a také prioritám aplikace.

V dnešní době jsou takové kutilské snahy o návrh krystalového oscilátoru poměrně vzácné, protože správný počáteční návrh vyžaduje čas a úsilí. Pak je tu přesné měření výkonu oscilátoru. To je složité a vyžaduje přesné vybavení a pečlivé nastavení. Místo toho si mohou konstruktéři pro mnoho aplikací zakoupit malý, plně uzavřený modul, který obsahuje jak křemenný prvek, tak obvod oscilátoru a jeho výstupní ovladač. To samozřejmě snižuje úsilí a čas při návrhu, zatímco uživatel získá plně charakterizovanou jednotku a datový list se zaručenými specifikacemi.

Poznámka k terminologii: Z historických a jiných důvodů inženýři často používají pojem „krystal“, pokud hovoří o celém obvodu krystalového oscilátoru. To obvykle není problém, protože zamýšlený význam je chápán z kontextu. Někdy to však může vést ke zmatku, protože je stále možné zakoupit krystal jako samostatnou součást a poté poskytnout samostatné obvody oscilátoru. Tento článek označuje pojmem „oscilátor“ krystal tvořící společně se svými oscilačními obvody autonomní modul, a nikoli jen samotný obvod oscilátoru.

Charakteristika krystalových oscilátorů

Stejně jako u jiných komponent je výkon krystalového oscilátoru zpočátku definován sadou parametrů nejvyšší úrovně. V jejich obecném pořadí důležitosti jsou:

Provozní frekvence: Tento parametr se může pohybovat od desítek kilohertzů (kHz) do stovek megahertzů (MHz). Oscilátory pro frekvence nad základním dosahem oscilátoru, například do rozsahu gigahertzů (GHz), obvykle používají fázový závěs (PLL) jako multiplikátor frekvence k převodu základní frekvence směrem nahoru.

Stabilita frekvence: Toto je druhý klíčový výkonový faktor pro oscilátory. Definuje odchylku výstupní frekvence od původní hodnoty v důsledku vnějších podmínek, a proto čím menší je toto číslo, tím lépe.

Stabilitu ovlivňuje mnoho vnějších podmínek a mnoho dodavatelů je vyvolává individuálně, aby návrhář mohl posoudit skutečný dopad v aplikacích. Mezi tyto faktory patří teplotní variace s ohledem na jmenovitou frekvenci při 25° C; mezi další faktory patří dlouhodobá stabilita v důsledku stárnutí a také účinky pájení, změny napájecího napětí a změny výstupního zatížení. U vysoce výkonných jednotek je obvykle charakterizována v částicích na milión (ppm) nebo částicích na miliardu (ppb) vzhledem ke jmenovité výstupní frekvenci.

Fázový šum a jitter: Jedná se o dva pohledy na stejnou obecnou třídu výkonu. Fázový šum charakterizuje taktovací šum ve frekvenční doméně, zatímco jitter tak činí v časové doméně (obrázek 2).

Obrázek 2: Jitter v časové doméně a fázový šum ve frekvenční doméně jsou dvě stejně platné interpretace stejných nedokonalostí. Upřednostňované zobrazení je funkcí aplikace. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International)

V závislosti na aplikaci se konstruktér zaměří na chyby primárně definované v jedné nebo druhé doméně. Fázový šum je obvykle definován jako poměr šumu v šířce pásma 1 Hertz (Hz) při zadaném frekvenčním posunu, f_m, k amplitudě signálu oscilátoru při frekvenci f_o. Fázový šum degraduje přesnost, rozlišení a poměr signálu k šumu (SNR) ve frekvenčních syntetizérech (obrázek 3), zatímco jitter způsobuje chyby časování a tím přispívá ke zvýšené bitové chybovosti (BER) v datových spojích.

Obrázek 3: Fázový šum šíří výkonové spektrum oscilátoru a má nepříznivý vliv na rozlišení a SNR. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International)

Časový jitter způsobí chyby vzorkování v analogových / digitálních převodech, a tím také ovlivní SNR a následnou frekvenční analýzu rychlé Fourierovy transformace (FFT).

Zařízení v rodině standardních oscilátorů MultiVolt (MV) od společnosti ECS Inc. jsou k dispozici se stabilitou pouhých ± 20 ppm, zatímco jejich pevné stabilizační oscilátory (SMV) nabízejí stabilitu až na ± 5 ppm. Pro ještě vyšší stabilitu nabízejí MultiVolt TCXO výkon ± 2,5 ppm s výstupy HCMOS a ± 0,5 ppm pro výstupy s oříznutými sinusovými vlnami (jak TCXO, tak oříznuté sinusové vlny jsou vysvětleny níže).

Bez ohledu na doménu je fázový šum / jitter důležitým faktorem pro vysoce výkonné konstrukce a je třeba jej zohlednit v rozpočtu chyb, přičemž je třeba mít na paměti potřeby aplikace. Všimněte si, že existuje mnoho typů jitteru, včetně absolutního jitteru, jitteru mezi cykly, integrovaného fázového jitteru, dlouhodobého jitteru a periodického jitteru; pro fázový šum existují také různé integrační rozsahy a typy, včetně bílého šumu a různých „barev“ šumu.

Porozumění specifikům jitteru i fázového šumu na oscilátoru a dopadu v aplikaci může být často výzvou. Je obtížné převést specifikaci z jedné domény na druhou; místo toho by uživatelé měli nahlédnout do datasheetu. Při účtování těchto chyb v celkovém rozpočtu chyb je také důležité pochopit legitimní, přesto odlišné definice dodavatelů, které kvantifikují výkon.

Typ výstupního signálu a měnič: Musí být přizpůsobeny připojené zátěži (obrázek 4). Dvě topologie výstupních jednotek jsou jednostranné a diferenciální.

Obrázek 4: K dispozici jsou různé výstupní formáty, které musí být kompatibilní s konfigurací zatížení oscilátoru. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International)

Jednokoncové oscilátory se snáze implementují, ale mají vyšší citlivost na hluk a obvykle se lépe hodí jen do několika set megahertzů. Mezi typy výstupu s jedním koncem patří:

• TTL (logika tranzistor-tranzistor): 0,4 až 2,4 V (nyní se zřídka používá)
• CMOS (doplňkový polovodič oxidu kovu): 0,5 až 4,5 V
• HCMOS (vysokorychlostní CMOS): 0,5 až 4,5 V
• LVCMOS (nízkonapěťový CMOS): 0,5 až 4,5 V

Diferenciální výstupy je obtížnější navrhnout, ale poskytují lepší výkon ve vysokofrekvenčních aplikacích, protože se ruší veškerý šum společný pro diferenciální stopy. To pomáhá udržovat výkon oscilátoru z pohledu zátěžového obvodu. Diferenciální typy signálů jsou:

• PECL (logika spojená s pozitivním emitorem): 3,3 až 4,0 V
• LVPECL (nízkonapěťový PECL); 1,7 až 2,4 V
• CML (logika aktuálního režimu): 0,4 až 1,2 V a 2,6 až 3,3 V
• LVDS (nízkonapěťová diferenciální signalizace): 1,0 až 1,4 V
• HCSL (vysokorychlostní logika s proudovým řízením): 0,0 až 0,75 V

Volba typu signálu je dána prioritami aplikace a souvisejícími obvody.

Výstupní křivka oscilátoru může být klasická jednofrekvenční sinusová vlna nebo oříznutá sinusová vlna (obrázek 5). Analogová vlna je „nejčistší“ a nejméně podléhá šumu / fázovému šumu, ve srovnání s použitím komparátorového obvodu k jeho transformaci na čtvercovou vlnu, čímž se přidává šum / šum, a tím se degraduje. Oříznutá sinusová vlna vytváří výstup ve tvaru čtvercové vlny, který je kompatibilní s digitálním zatížením, aniž by byl obětován jakýkoli výkon.

Obrázek 5: Přerušovaná sinusová vlna se blíží obdélníkové vlně při minimalizaci jakéhokoli dalšího chvění nebo fázového šumu. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International)

Napájecí napětí a proud: Obě tyto hodnoty se snížily, aby vyhovovaly potřebám dnešních systémů s nízkým napětím a často na baterie. Většina oscilátorů řady MultiVolt může pracovat s napájecím napětím 1,8 V, 2,5 V, 3,0 V a 3,3 V.

Velikost pouzdra: Stejně jako provozní napětí a proud se zmenšila také pouzdra oscilátorů. Průmysl má některé standardizované velikosti pro zařízení s jedním koncem (která potřebují pouze čtyři připojení), zatímco diferenciální oscilátory mají šest kontaktů a používají větší pouzdra, jejichž rozměry jsou zde uvedeny v milimetrech (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

Je to z velké části o teplotě

Největším vnějším faktorem ovlivňujícím a měnícím výkon oscilátoru je teplota. I když je provozní výkon oscilátoru nízký, a proto je vlastní ohřev téměř zanedbatelný, okolní teplota ovlivňuje pracovní frekvenci, protože tyto změny ovlivňují mechanické rozměry a napětí křemenného krystalu. Je důležité zkontrolovat výkon vybraného oscilátoru v extrémech očekávaného rozsahu. Tyto rozsahy se běžně označují jako:

• Komerční, automobilová třída 4: 0 až + 70 °C
• Rozšířené komerční užití: −20 až +70 °C
• Průmyslová, automobilová třída 3: −40 až + 85 °C
• Rozšířená průmyslová, automobilová třída 2: −40 až + 105 °C
• Třída 1 pro automobilový průmysl: −40 až + 125 °C
• Vojenství: -55 až + 125 °C
• Třída 0 pro automobilový průmysl: −40 až + +150°C

U některých konstrukcí nezohledňuje pouze výkon nad teplotou, ale také potřebu splnit další specifikace spolehlivosti. Například model ECS-2016MVQ je miniaturní oscilátor MultiVolt HCMOS s povrchovou montáží pro výstup 1,7 až 3,6 V (obrázek 6). Keramické pouzdro 2016 (2,0 mm × 1,6 mm, výše) je 0,85 mm vysoké, zaměřené na náročnější průmyslové aplikace a je kvalifikované podle AEC-Q200 (automobilový průmysl) pro teplotní požadavky třídy 1. Je k dispozici pro frekvence od 1,5 do 54 MHz ve čtyřech stupních frekvenční stability, od ± 20 ppm do ± 100 ppm nad -40 °C do + 85 °C; fázový jitter je velmi nízký již při 1 pikosekundě (ps), měřeno od 12 kHz do 5 MHz.

Obrázek 6: ECS-2016MVQ je k dispozici pro frekvence od 1,5 do 54 MHz a ve čtyřech stupních stability od ± 20 ppm do ± 100 ppm. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International)

Pro aplikace, kde je drift v provozním rozsahu nepřijatelně vysoký, jsou k dispozici dvě pokročilé implementace oscilátoru: teplotně kompenzovaný krystalem řízený oscilátor (TCXO) a termostatovaný krystalem řízený oscilátor (OCXO). (Všimněte si, že XTAL je označení krystalu v mnoha schématech a „X“ se používá jako zkratka pro tento výraz ve zkratce.) TCXO používá aktivní obvod ke kompenzaci změny výstupní frekvence v důsledku kolísání teploty. Naproti tomu v OCXO je krystalový oscilátor umístěn v tepelně izolované peci, která je zahřívána a udržována na konstantní teplotě nad maximální teplotou okolí (pec pouze pro ohřev se nemůže ochladit na teplotu nižší než je okolní teplota).

TCXO vyžadují ve srovnání se základním oscilátorem další obvody, ale mnohem méně energie než OCXO s troubou, která obvykle vyžaduje několik wattů. TCXO je navíc jen o něco větší než nekompenzovaná jednotka a je mnohem menší než OCXO. TCXO bude obvykle vykazovat zlepšení v driftu mezi 10 a 40násobkem zlepšení nekompenzované jednotky, zatímco OXCO může vykazovat driftový výkon, který je ve srovnání se zlepšením o dva řády lepší, ale s výraznou penalizací ve velikosti a síle.

Model ECS-TXO-32CSMV je oscilátor TCXO pro povrchovou montáž s ořezanou sinusovou vlnou s funkcí MultiVolt (napájení 1,7 až 3,465 V) pro frekvence mezi 10 a 52 MHz (obrázek 7). Keramické pouzdro vysoké 3,2 × 2,5 × 1,2 mm je vhodné pro přenosné a bezdrátové aplikace, kde je kritická stabilita. Klíčové specifikace ukazují jeho extrémně vysokou stabilitu vzhledem teplotě, změně napájení, změně zátěže a stárnutí spolu se nízkým požadavkem na odebíraný proud pod 2 mA (tabulka 1).

Obrázek 7: ECS-TXO-32CSMV je krystalem řízený oscilátor s oříznutým výstupním sinusovým průběhem, který obsahuje vnitřní kompenzační obvody pro výrazné zlepšení stability. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International)

Tabulka 1: Specifikace teplotně kompenzovaného oscilátoru ECS-TXO-32CSMV TXCO ukazují, jak jeho vnitřní kompenzace zlepšuje stabilitu výkonu navzdory soustavě vnějších rušení. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International)

Provoz s nízkou spotřebou: častá priorita

Navzdory trendům směrem ke stále vyšší frekvenci procesorových taktovacím impulzů a rychlostem dat stále existuje velká potřeba nízkofrekvenčních krystalových oscilátorů pro časování v aplikacích s extrémně nízkým výkonem. Například ECS-327MVATX je miniaturní oscilátor pro povrchovou montáž pracující na pevné frekvenci 32,768 kHz s funkcí MultiVolt (1,6 až 3,6 voltů). Se současným požadavkem pouhých 200 mikroampérů (µA) a výstupem CMOS s jedním zakončením je vhodný pro aplikace s hodinami v reálném čase (RTC), nízkoenergetickými / přenosnými, průmyslovými aplikacemi a internetem věcí (IoT). V roce 2016 je nabízen prostřednictvím 7050 velikostí pouzder, s frekvenční stabilitou v rozmezí od těsných ± 20 ppm do poněkud volnějších ± 100 ppm v teplotním rozsahu -40 °C až + 85 °C v závislosti na modelu.

Aby se minimalizovala průměrná spotřeba energie, mnoho oscilátorů také nabízí funkci zapnutí / vypnutí. Například ECS-5032MV je 125 MHz oscilátor pro povrchovou montáž s provozní schopností MultiVolt od 1,6 do 3,6 V a výstupem CMOS, nabízený v keramickém pouzdru 5032 (obrázek 8).

Obrázek 8: ECS-5032MV je 125MHz oscilátor pro povrchovou montáž s funkcí aktivace/deaktivace, která pomáhá šetřit energii. (Zdroj obrázku: ECS Inc. International)

Jeden ze čtyř kontaktů umožňuje přepnutí oscilátoru do pohotovostního režimu, čímž se sníží požadovaný proud z aktivní hodnoty 35 mA na pohotovostní proud pouze 10 mikroampérů (µA). Doba spuštění je 5 milisekund (ms) po opětovné aktivaci jednotky.

Odpovídající specifikace aplikaci

Rozhodování o vhodném krystalovém oscilátoru pro aplikaci je podle očekávání rovnováha specifikací, priorit, nákladů a jejich relativní váhy. Je to více než zjevné zvážení výběru jednotky s požadovanou jmenovitou frekvencí, frekvenční stabilitou, šumem / fázovým šumem a dalšími atributy jako samostatným oscilátorem. Uživatelé musí také zajistit, aby výstupní jednotka oscilátoru byla kompatibilní s příslušnou zátěží a systémem, aby párování nezhoršilo výkon. I když existuje mnoho takových úvah, existuje několik obecných pokynů:

• Výstup LVDS vyžaduje pouze jeden odpor na přijímači, zatímco LVPECL vyžaduje ukončení na vysílači i přijímači.
• LVDS, LVPECL a HCSL mají rychlejší přechody než CMOS, ale budou vyžadovat více energie a jsou nejvhodnější pro vysokofrekvenční návrhy.
• Pro nejnižší spotřebu energie nad 150 MHz jsou nejlepší volbou CMOS nebo LVDS.
• LVPECL, LVDS a poté CMOS nabízejí nejlepší výkon při nízkých frekvencích.

Závěr

Oscilátor z křemenného krystalu je srdcem mnoha obvodů a systémů. Zajištění, aby výkon této funkce odpovídal požadavkům aplikace, vyžaduje pečlivé vyvážení klíčových parametrů, zejména přesnosti jmenovité frekvence, teplotní stability a dalších faktorů, jako jsou jitter a fázový šum. Vyžaduje také přizpůsobení formátu výstupního pohonu oscilátoru charakteristikám zátěžových obvodů. Krystalové oscilátory v rodinách ECS MultiVolt nabízejí vynikající výkon s kombinací specifikací v kompletních a snadno použitelných modulech.