Minimalizacja dryfu częstotliwości rezonatorów kwarcowych

Stabilność tych generatorów jest wysoka, ale ma swoje ograniczenia. Niestabilność urządzeń wyznaczających czas jest wyrażana przez dryf i jitter. Jitter oznacza fluktuacje nominalnej częstotliwości, a dryf jej powolne zmiany, wywoływane różnymi czynnikami. Wielkości te podaje się w ppm (parts per million). Na przykład stabilność kwarcu 32 kHz o małych fluktuacjach w zależności od temperatury wyraża się zależnością:

gdzie f₀ - oznacza częstotliwość w temperaturze odniesienia, T0 - temperaturę odniesienia, zwykle 25°C, k = 0,035. Zatem od -40°C do + 85°C częstotliwość może zmienić się o 100 ppm. Zegar utrzymywany w tej granicznej temperaturze 85°C spóźnia się około 4,5 min na miesiąc.

Jak należy rozumieć dryf?

Przy projektowaniu trzeba pamiętać, że urządzenie może zacząć wykazywać wadliwe działanie dopiero po kilku latach. Po roku zmiana częstotliwości oscylatora o dryfie 4 ppm może nie wywoływać żadnych trudności. Ale po kilku latach błąd ten może w istotny sposób pogorszyć, a nawet uniemożliwić działanie układu.

Dryf wpływa na systemy w różny sposób. W systemach łączności jego znaczenie jest duże. Gdy na przykład w telefonie komórkowym, tablecie czy wbudowanym czujniku dryfująca z czasem częstotliwość przemieści się do sąsiedniego kanału, stracą one synchronizację w łączności i wywołają interferencje, co obniża ich użyteczność i niezawodność. Mogą nawet przestać spełniać wymagania norm. Mogą przesuwać sygnał poza granice dozwolonego pasma, stwarzając sytuacje trudne do rozwiązania i kosztowne. W tego rodzaju aplikacjach utrzymywanie stałej częstotliwości jest nieodzowne, co wymaga ograniczania dryfu poniżej 1 ppm.

Podobne trudności powstają w taktowanej przez dryfujący zegar magistrali systemowej, a wywołane błędy synchronizacji skutkują z upływem czasu utratą danych i niezawodności systemu.

W układach informujących o dokładnym czasie i dacie skutki dryfu zależą od sposobu korzystania z tych informacji. Gdy czas jest wyświetlany, jego błędy są natychmiast zauważalne. Jeśli czas jest potrzebny do logowania, na przykład do urządzenia medycznego albo wbudowanego węzła czujnikowego, wpływ dryfu zależy od tego, jaka dokładność logowania jest wymagana.

Dokładny czas daje się długo utrzymywać, gdy użytkownik w razie potrzeby może ręcznie wprowadzać poprawki albo gdy jest ustanowiona automatyczna kalibracja zegara online. Zależy to oczywiście od zastosowania.

Czynniki środowiskowe

Rys. 1. Temperaturowa zależność częstotliwości rezonatorów kwarcowych od kąta cięcia kryształu

Znaczenie czynników środowiskowych bardzo zależy od aplikacji, a wpływ każdego z nich na dryf oscylatora powinien zostać z osobna rozważony i zminimalizowany. Wpływ niektórych czynników jest minimalny. Na przykład wpływ wibracji powodowanych ruchem i przyspieszeniami ogranicza się do rzędu ppb (parts per billion, czyli na miliard), jest więc pomijalny.

Inne czynniki mogą wpływać na dryf w znaczny sposób - wilgotność czy ciśnienie aż do setek ppm. Ich wpływ może być jednak skutecznie ograniczony przez zamknięcie rezonatora w fazie produkcji w hermetycznie szczelnej próżniowej albo wypełnionej obojętnym gazem (np. azotem) obudowie. Wilgotność i ciśnienie nie stanowią więc zagrożenia dla stabilności oscylatorów.

Największy wpływ na dryf ma natomiast temperatura. Ten sam kwarc 32 kHz o maksymalnym dryfie 4,5 ppm na miesiąc w szerokim zakresie temperatur utrzymywany w temperaturze pokojowej wykaże tylko 2 ppm na miesiąc. Zmiany temperatury mogą zwiększyć dryf o dziesiątki ppm w standardowym zakresie temperatur. W temperaturach ekstremalnych zmiany tę są jeszcze większe.

Kompensację dryfu częstotliwości osiąga się różnymi sposobami. Na poziomie systemu można stosować wentylator chłodzący podzespoły w stopniu zależnym od temperatury otoczenia. Dokładniejszym sposobem jest użycie generatora z wewnętrzną kompensacją temperaturową. Standardowy generator jest układem scalonym, zawierającym kwarcowy rezonator o określonej częstotliwości. Częstotliwość ta jest kompensowana w różny sposób:

TCXO (temperature-compensated crystal oscillator), który jest stabilizowany wewnętrznym czujnikiem temperatury. Zapewnia on niezłą stałość częstotliwości okupioną niewielkim wzrostem ceny w stosunku do zwykłego XO (crystal oscillator).

MCXO (microcomputer-compensated crystal oscillator), który również zawiera czujnik temperatury, ale do stabilizacji wykorzystuje kształt charakterystyki rezonatora w funkcji temperatury. Jego dokładność jest znacznie lepsza kosztem zwiększenia złożoności, zapewnia on przewidywanie zmian temperatury i działa szybciej. MCXO jest droższy od TCXO, ale dokładniejszy.

OCXO (oven controlled crystal oscillator), stabilizowany termicznie oscylator kwarcowy. Wykazuje on najlepszą odporność na zmiany temperatury. Rezonator zamknięty w specjalnej obudowie wyposażonej w obwód podgrzewający jest utrzymywany w ustalanej automatycznie temperaturze, wyższej na przykład o 10°C od najwyższej temperatury otoczenia. Nie wymaga więc żadnej innej stabilizacji. OCXO wykazuje najniższy dryf, ale jest najdroższy.

Trzeba dokładnie zdawać sobie sprawę ze sposobu, w jaki producenci rezonatorów kwarcowych określają ich temperaturową stabilność. Parametry podzespołów zegarowych są podawane dla temperatury 25°C, projektanci często błędnie przyjmują, że obowiązują one w całym zakresie temperatury działania. Rysunek 1 przedstawia zależność dryfu i długookresowej dokładności od temperatury dla różnych kątów cięcia kryształu.

Wpływ otoczenia, w jakim działa generator czasu, jest bardzo duży. Dla stacji bazowej na Alasce specyfikowanie temperatury pokojowej nie ma żadnego sensu. Podobnie dla telefonu komórkowego nawet krótko narażanego na operację słoneczną. Projektant musi brać pod uwagę oczekiwany zakres temperatury działania urządzenia, aby móc przewidzieć długoczasowe tego skutki dla użytkownika.

Cięcie kryształu

Rys. 2. Odchylenie częstotliwości w funkcji temperatury dla cięcia AT i SC

Czynnikiem o dużym wpływie na dryf częstotliwości oscylatora jest kąt cięcia kryształu, wyznacza on bowiem jego zależność temperaturową i stabilność. W produkcji rezonatorów stosowane są różne cięcia (rys. 1), z których najważniejsze są:

• AT. Jest to cięcie najczęściej stosowane, zapewnia bowiem doskonałą stabilność temperaturową dla szerokiego zakresu częstotliwości. Kryształy tak cięte są jednak wrażliwe na naprężenia mechaniczne.
• BT. Cięcie to jest podobne do AT, ale inny kąt zapewnia mu wyższą stałą częstotliwościowo-grubościową, używa się go więc do oscylatorów o wyższych częstotliwościach. Ale paraboliczny przebieg jego zależności od temperatury nie jest tak korzystny jak przebieg z przegięciem cięcia AT.
• XY. Cięcie zwane również kamertonowym, które z powodu małych rozmiarów rezonatora, niskiej impedancji i niskich kosztów w porównaniu z innymi cięciami, nadaje się do aplikacji niskoczęstotliwościowych. Jest powszechne stosowane w małych układach ze stałym zegarem 32,768 kHz.
• SC. Zaletą rezonatorów z cięciem SC (stress compensated) jest odporność na naprężenia mechaniczne i wibracyjne. Charakteryzują je także niższe szumy fazowe, lepsza odporność na starzenie się i krótszy czas nagrzewania w stosunku do cięcia AT (rys. 2). Nie nadają się jednak do stosowania w szerokim zakresie temperatur (od -50°C do + 100°C).
• IT. Rezonatory IT mają własności zbliżone do SC, lepiej jednak są przystosowane do wyższych temperatur.

Ważnym elementem oscylatorów kwarcowych są stosowane w nich elektrody. Kryształ drga ze swoją częstotliwością rezonansową pod wpływem przepływającego w nim prądu. Przepływa on pomiędzy nałożonymi nań elektrodami ze srebra lub złota. Złoto jest od srebra droższe, ale odporniejsze. Kwarc ze złotymi elektrodami jest bardziej odporny na czynniki środowiskowe, jak wilgotność, wolniej się starzeje, dryfuje zatem wolniej.

Obciążenie pojemnościowe i przesterowanie

Rys. 3. Pojemności wchodzące w skład elementarnego obwodu oscylatora kwarcowego

Wybrany kwarc musi być dopasowany do istniejącego obciążenia. Obciążenie jest impedancją zespoloną, z której na częstotliwość i dryf najsilniej wpływa pojemność. Rysunek 3 ilustruje typowy schemat oscylatora z zewnętrznymi elementami. Pojemności są specyfikowane w pikofaradach i numerowane. Najlepszym sposobem dopasowania kwarcu z pojemnością układu jest obliczenie i wprowadzenie poprawki pojemności po zmierzeniu rzeczywistej częstotliwości. Zwykle producenci rezonatorów kwarcowych udzielają pomocy w obliczaniu i dopasowywaniu.

Czynnikiem mającym wpływ na dryf jest również sposób wzbudzania oscylacji. Silniejsze niż wymagane wzbudzanie prowadzi do przesterowania rezonatora. Im jest on wzbudzany silniej (jego nominalna moc wzbudzania jest podawana w µW), tym szybciej się starzeje.

Potencjalną przyczyną zwiększenia dryfu bywa zmiana miejsca jego montażu albo rozmieszczenia ścieżek na płytce drukowanej, może bowiem zmienić pojemność lub poziom wysterowania. Dotyczy to także wszelkich modyfikacji rozprowadzania sygnału zegarowego w systemie, po których elementy układu zegarowego powinny zostać przeliczone. Zmiany takie są łatwiejsze do przeprowadzenia, gdy w systemie jest przewidziana możliwość korygowania częstotliwości zegarowej.

Kompleksowe testowanie systemu powinno obejmować sprawdzanie jego stabilizacyjnej niezawodności. Dokonywać tego można przez tymczasową zmianę pojemności obciążającej w celu zwiększenia dryfu i przedwczesnego przekroczenia założonego okresu tolerancji czasu zegarowego. Pozwoli to na sprawdzenie, jak długo system będzie działać niezawodnie bez konieczności jego rekalibracji.

Wybór odpowiedniego rezonatora kwarcowego

Kwarcowe systemy zegarowe są urządzeniami trudnymi w realizacji. Trzeba poświęcić sporo uwagi na dobór odpowiedniego rezonatora, który utrzyma dryf w ryzach. Niżej podano listę pytań, odpowiedzi na które ułatwią optymalny dla aplikacji wybór:

• Jaka jest wymagana częstotliwość?
• Jaki jest dopuszczalny maksymalny dryf w oczekiwanym czasie działania systemu?
• Jaki jest zakres temperatury działania?
• Jaka jest wymagana stabilność temperaturowa?
• Jaka jest pojemność obciążenia na płytce drukowanej?
• Jaki jest dopuszczalny koszt układu zegarowego?
• Jaka jest oczekiwana wielkość produkcji?
• Jak szybko podzespoły powinny zostać dostarczone?

Podstawowe informacje zgromadzone w odpowiedziach na powyższe pytania ułatwią podjęcie decyzji przy projektowaniu, gromadzeniu bardziej szczegółowych danych i rozpoczęcie produkcji.

KKP