Tajming kruga je kritična funkcija koju zahtijevaju mnogi elektronski uređaji, uključujući mikrokontrolere, USB, Ethernet, Wi- i Bluetooth interfejse, kao i računarske uređaje i periferne uređaje, medicinske uređaje, opremu za testiranje i mjerenje, industrijsku kontrolu i automatizaciju, Internet stvari (IoT), nosive uređaje i potrošačku elektroniku. Iako dizajn kristala-kontroliranog oscilatora za obezbjeđivanje sistemskog vremena može u početku izgledati jednostavno, dizajneri moraju uzeti u obzir brojne parametre i zahtjeve dizajna kada usklađuju kvarcni kristal sa IC oscilatorom.
Postoji nekoliko faktora koje treba uzeti u obzir, uključujući impedanciju kretanja kristala, režim rezonancije, snagu pogona i negativnu otpornost oscilatora. Što se tiče rasporeda kola, dizajneri moraju uzeti u obzir parazitski kapacitet PCB-a, dodati zaštitnu traku oko kristala i ugraditi kondenzatore na-čip. Konačni dizajn mora biti kompaktan i pouzdan, sa najmanje komponenti, niskim srednjim kvadratom (RMS) podrhtavanja i minimalnom potrošnjom energije u širokom rasponu ulaznog napona.
Jednostavan upakovani kristalni oscilator (SPXO) je jedno rješenje. Ovi kontinualni naponski oscilatori su optimizirani za nisku potrošnju energije i nizak RMS podrhtavanje i mogu raditi na bilo kojem naponu između 1,60 V i 3,60 V, omogućavajući dizajnerima da postignu rješenje koje se može integrirati u sistem uz minimalni napor dizajna.
Ovaj članak će ukratko raspravljati o nekim važnim zahtjevima performansi koji moraju biti ispunjeni i izazovima dizajna koji se moraju prevladati prilikom dizajniranja vremenskih kola korištenjem diskretnih kvarcnih kristala i vremenskih IC-a. Zatim će predstaviti Abracon-ova SPXO rješenja i objasniti kako dizajneri mogu koristiti ove uređaje da efikasno ispune zahtjeve vremena elektronskih sistema.
Izazovi u radu i dizajnu kristalnog oscilatora
Potrošnja energije je kritična stvar za male bežične uređaje{0}}na baterijama. Mnogi takvi uređaji su bazirani na ultra-niskom-sistemu-na-radijima i procesorima sa čipom (SoC) koji mogu podržati vijek trajanja baterije od nekoliko godina. Dodatno, budući da je baterija često najskuplja komponenta u sistemu, minimiziranje njene veličine je ključno za kontrolu troškova uređaja. Uz to, struja u stanju pripravnosti je često najkritičnije razmatranje trajanja baterije u malim bežičnim sistemima, a strujom u stanju pripravnosti često dominira oscilator takta. Stoga je ključno minimizirati trenutnu potrošnju oscilatora.
Nažalost, dizajniranje oscilatora niske{0}}može biti izazov. Jedan od načina uštede energije je minimiziranje struje u stanju pripravnosti ulaskom u "onemogućeno" stanje i pokretanjem oscilatora kada je to potrebno. Međutim, zahtijevati da se kristalni oscilator brzo i pouzdano pokrene nije lak zadatak. Dizajneri moraju osigurati da oscilator ostane u niskom-trenutnom stanju tokom pripravnosti i da ima pouzdane karakteristike pokretanja u svim uslovima rada i okruženja.
Konfiguracija Pierce oscilatora se obično nalazi u bežičnim SoC-ovima male snage{0} (Slika 1). Pierceov oscilator je konstruiran korištenjem kristala (X) i kondenzatora opterećenja (C1 i C2), okružen invertnim pojačalom sa internim otpornikom povratne sprege. U odgovarajućim uslovima, kada se izlaz pojačala vraća nazad na ulaz, stvara se negativan otpor, što dovodi do oscilovanja.
Slika 1: Osnovna konfiguracija Pierce oscilatora izgrađena oko kristala (X) i kondenzatora C1 i C2.
Kristalna struktura je složena; ova rasprava pokriva samo gornji sloj i pojednostavljenu strukturu kristala koji rade u oscilatorima.
Margina pojačanja u zatvorenoj-petlji Gm može se koristiti kao brojčana vrijednost (FOM) za opisivanje pouzdanosti oscilatora u odnosu na različite gubitke. Margina pojačanja zatvorene-petlje se takođe naziva margina oscilovanja (OA). OA vrijednost ispod 5 može dovesti do niske proizvodne propusnosti i problema sa -pokretanjem povezanim s temperaturom. Dizajni sa vrijednošću OA od 20 ili više su robusni i izdržljivi, pouzdano rade u rasponu projektirane radne temperature i pokazuju minimalan utjecaj različitih proizvodnih serija na karakteristike performansi kristala i SoC-a.
Za mjerenje OA oscilatora, u kolo se može dodati promjenjivi otpornik Ra (slika 2). Povećajte vrijednost Ra dok se oscilator ne pokrene. Ovo je metoda koja se koristi za određivanje OA vrijednosti, kao što je prikazano u nastavku:
Jednačina 1
gdje:
Rn je negativni otpor
Re je ekvivalentni serijski otpor (ESR).
Jednačina 2
Jednačina 3
Gdje se kapacitet opterećenja CL izračunava na sljedeći način:
Jednačina 4
gdje je Cs promjenjivi kondenzator kola, sa vrijednošću kapacitivnosti tipično između 3,0 i 5,0 pF.
Slika 2: Prikazuje prošireni kristalni model (srednja kutija) i podesivi otpornik (Ra) koji se koristi za mjerenje margine oscilacije.
OA zavisi od ESR (Re), a ESR zavisi od parametara kristala kvarca Rm i kapaciteta opterećenja CL. Za oscilatore male{1}}nane, kao što su oni koji se koriste u bežičnim uređajima male snage, uticaj Rm i CL na OA se povećava. Mjerenje OA je dugotrajno-i može produžiti proces razvoja. Stoga se ovaj zadatak može zanemariti, što dovodi do problema s performansama kada se sistem ili uređaj pusti u proizvodnju.
Dodatno, postavljanje visokog OA kako bi se osigurao pouzdan rad oscilatora može uzrokovati druge probleme. Na primjer, dok veći OA poboljšava performanse oscilatornog kola, može previdjeti gubitke snage uzrokovane kristalom. Takvi gubici mogu biti značajan faktor. Pozivajući se na sliku 2, otpor kretanju kristala Rm uzrokuje disipaciju snage jer struja periodično teče kroz otpornik. Kada je CL veliki, povećava i struju i gubitke. Stoga, dizajneri moraju uravnotežiti gubitak snage kristala sa razumnom vrijednošću OA.
Izbjegavanje podrhtavanja
Prilikom dizajniranja kvarcnog kristalnog oscilatora, važno je razumjeti i smanjiti podrhtavanje. Jitter ima dva tipa, koji se obično mjere pomoću srednje kvadratne vrijednosti (RMS):
Treperenje perioda: Takođe poznato kao fazno podrhtavanje, ovo se odnosi na maksimalnu vremensku razliku između nekoliko izmerenih perioda oscilovanja, obično merenih tokom najmanje 10 perioda.
Treperenje ciklusa: Ovo je maksimalna varijacija u rubu takta, mjerena za svaki ciklus, a ne za više ciklusa.
Primarni izvori podrhtavanja u kvarc kristalnim oscilatorima uključuju šum napajanja, cjelobrojne harmonike frekvencije signala, nepravilne uvjete opterećenja i završetka, šum pojačala i određene konfiguracije kola. Ovisno o izvoru, mogu se koristiti različite metode za minimiziranje podrhtavanja.
Koristite premosne kondenzatore, induktore za čipove ili filtere{0}}kondenzatora otpornika (RC) za kontrolu buke napajanja.
U kritičnim aplikacijama koje zahtijevaju izuzetno nizak podrhtavanje, uspostavljanje metode za kontrolu harmonika je ključno (izvan opsega ovog članka).
Smanjite snagu koja se reflektuje nazad na izlaz optimizovanjem opterećenja i uslova završetka.
Izbjegavajte dizajne koji uključuju fazne{0}}zaključane petlje, množitelje ili programabilne funkcije, jer često povećavaju podrhtavanje.
Kristalni oscilatori kontinuiranog napona
Korišćenje Abracon-ovih ASADV, ASDDV i ASEDV SPXO je korisno za projektovanje sistema u kojima napon bias varira između 1,60 i 3,60 V (Slika 3). SPXO serija pokriva različite frekventne opsege; ASADV uređaji rade na frekvencijama od 1,25 MHz do 100 MHz, dok ASDDV i ASEDV uređaji rade na frekvencijama od 1 MHz do 160 MHz. Serija je usklađena sa RoHS/RoHS II standardima i koristi zapečaćeno keramičko pakovanje uređaja za površinsku-montažu (SMD). U opsegu radne temperature od -40 stepeni do +85 stepeni, serija postiže stabilnost frekvencije od ±25 ppm.
OA zavisi od ESR (Re), a ESR zavisi od parametara kristala kvarca Rm i kapaciteta opterećenja CL. Za oscilatore male{1}}nane, kao što su oni koji se koriste u bežičnim uređajima male snage, uticaj Rm i CL na OA se povećava. Mjerenje OA je dugotrajno-i može produžiti proces razvoja. Stoga se ovaj zadatak može zanemariti, što dovodi do problema s performansama kada se sistem ili uređaj pusti u proizvodnju.
Dodatno, postavljanje visokog OA kako bi se osigurao pouzdan rad oscilatora može uzrokovati druge probleme. Na primjer, dok veći OA poboljšava performanse oscilatornog kola, može previdjeti gubitke snage uzrokovane kristalom. Takvi gubici mogu biti značajan faktor. Pozivajući se na sliku 2, otpor kretanju kristala Rm uzrokuje disipaciju snage jer struja periodično teče kroz otpornik. Kada je CL veliki, povećava i struju i gubitke. Stoga, dizajneri moraju uravnotežiti gubitak snage kristala sa razumnom vrijednošću OA.
Izbjegavanje podrhtavanja
Prilikom dizajniranja kvarcnog kristalnog oscilatora, važno je razumjeti i smanjiti podrhtavanje. Jitter ima dva tipa, koji se obično mjere pomoću srednje kvadratne vrijednosti (RMS):
Treperenje perioda: Takođe poznato kao fazno podrhtavanje, ovo se odnosi na maksimalnu vremensku razliku između nekoliko izmerenih perioda oscilovanja, obično merenih tokom najmanje 10 perioda.
Treperenje ciklusa: Ovo je maksimalna varijacija u rubu takta, mjerena za svaki ciklus, a ne za više ciklusa.
Primarni izvori podrhtavanja u kvarc kristalnim oscilatorima uključuju šum napajanja, cjelobrojne harmonike frekvencije signala, nepravilne uvjete opterećenja i završetka, šum pojačala i određene konfiguracije kola. Ovisno o izvoru, mogu se koristiti različite metode za minimiziranje podrhtavanja.
Koristite premosne kondenzatore, induktore za čipove ili filtere{0}}kondenzatora otpornika (RC) za kontrolu buke napajanja.
U kritičnim aplikacijama koje zahtijevaju izuzetno nizak podrhtavanje, uspostavljanje metode za kontrolu harmonika je ključno (izvan opsega ovog članka).
Smanjite snagu koja se reflektuje nazad na izlaz optimizovanjem opterećenja i uslova završetka.
Izbjegavajte dizajne koji uključuju fazne{0}}zaključane petlje, množitelje ili programabilne funkcije, jer često povećavaju podrhtavanje.
Rezime
Dizajnerima su potrebni tačni i pouzdani oscilatori kako bi osigurali stabilno vrijeme u širokom rasponu primjena i radnih temperatura. Diskretni kristalni-kontrolisani oscilatori mogu ispuniti tražene karakteristike performansi, ali je tehnički izazovno dizajnirati efikasno korištenjem kristala, što oduzima vrijeme-i rezultira nepotrebnim troškovima. Osim toga, oni nisu optimalan izbor u smislu faktora oblika.
Kao što je prikazano na slici, dizajneri mogu koristiti{0}}integrisane SPXO male snage. Ovi SPXO predstavljaju spremno-za-upotrebu rješenje za mjerenje vremena, postižući odličnu stabilnost frekvencije u veoma širokom rasponu radnih temperatura. Koristeći SPXO, dizajneri mogu smanjiti broj komponenti, minimizirati veličinu rješenja, smanjiti troškove montaže i poboljšati pouzdanost.