Poznaj parametry oscylatora kwarcowego, aby zoptymalizować jego dobór w aplikacji

Projektanci muszą znaleźć komponent zapewniający równowagę między wydajnością, kosztem, stabilnością, rozmiarem, pobieraną mocą, wymiarami i interfejsem do powiązanych z nim obwodów. Aby to zrobić, muszą zrozumieć zasady działania oscylatora i jego kluczowe cechy.

Jak działają oscylatory kwarcowe?

Oscylatory kwarcowe wykorzystują rezonator piezoelektryczny o wysokiej dobroci, który stanowi element układu rezonansowego i jest włączony w pętlę sprzężenia zwrotnego (rys. 1). Użyty element i jego technologia wykonania determinuje parametry elektryczne i mechaniczne.

 

Rys. 1. Kryształ kwarcu z efektem piezoelektrycznym działa jako stabilny i precyzyjny element rezonansowy o dużej dobroci

Przez wiele lat oscylatory były tworzone przez projektantów we własnym zakresie, na lampach, potem tranzystorach i wreszcie z użyciem układów scalonych. Układ elektroniczny był dopasowywany do tzw. kąta cięcia kryształu kwarcu i jego charakterystyki, a także wymaganych parametrów aplikacji. W dzisiejszych czasach takie próby samodzielnego projektowania oscylatorów kwarcowych są bardzo rzadkie, ponieważ uzyskanie dobrych rezultatów jest czasochłonne i wymaga posiadania precyzyjnej aparatury pomiarowej. Zamiast tego kupuje się mały gotowy moduł, który zawiera zarówno rezonator kwarcowy, jak i obwód oscylatora oraz driver wyjściowy. To oczywiście zmniejsza koszty i czas projektowania oraz daje gwarancję, że otrzyma się w pełni scharakteryzowany produkt o znanej specyfikacji.

Uwaga dotycząca terminologii: ze względów historycznych i innych inżynierowie często używają słowa "kwarc", gdy w rzeczywistości mówią o całym obwodzie oscylatora. Zwykle nie stanowi to problemu, ponieważ zamierzone znaczenie można zrozumieć z kontekstu. Jednak czasami może to prowadzić do zamieszania, ponieważ nadal można kupić rezonator (kryształ, kwarc) jako samodzielny komponent, a następnie dodać do niego oddzielne obwody oscylatora.

Parametry oscylatorów kwarcowych

Jak w przypadku każdego komponentu, wydajność oscylatora kwarcowego jest definiowana przez zestaw istotnych parametrów, takich jak:

Częstotliwość robocza – może wahać się od dziesiątek kHz do setek MHz. Oscylatory dla wysokich częstotliwości, a więc powyżej podstawowego zasięgu rezonatora, na przykład w zakresie gigaherców, zwykle używają pętli synchronizacji fazowej (PLL) jako mnożnika częstotliwościwcelupodwyższeniaczęstotliwości podstawowej.

Stabilność częstotliwości – określa odchylenie częstotliwości wyjściowej od jej pierwotnej wartości spowodowane warunkami zewnętrznymi, a więc im jest mniejszy, tym lepiej. Istnieje wiele czynników, które mają wpływ na stabilność generowanej częstotliwości i wielu producentów określa je w specyfikacjach, np. zmiany związane z temperaturą w odniesieniu do częstotliwości nominalnej przy 25ºC. Inne czynniki obejmują długoterminową stabilność spowodowaną starzeniem, a także skutki procesu lutowania, wahań napięcia zasilania i zmian obciążenia wyjściowego. W przypadku produktów o wysokiej dokładności zwykle określa się ją w częściach na milion (ppm) lub częściach na miliard (ppb) w odniesieniu do nominalnej częstotliwości wyjściowej.

 

Rys. 2. Jitter w dziedzinie czasu i szum fazowy w dziedzinie częstotliwości to dwa równorzędne parametry charakteryzujące te same niedoskonałości

 

Rys. 3. Szum fazowy rozprasza widmo generowanej częstotliwości i ma szkodliwy wpływ na rozdzielczość i SNR

Szum fazowy i jitter – to dwa wskaźniki tej samej klasy wydajności. Szum fazowy charakteryzuje wahania zegara w dziedzinie częstotliwości, natomiast jitter w dziedzinie czasu (rys. 2). Szum fazowy jest zwykle definiowany jako stosunek szumu w paśmie 1 Hz przy określonym przesunięciu częstotliwości fM do amplitudy sygnału oscylatora przy częstotliwości fO. Szum fazowy pogarsza dokładność, rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu (SNR) w syntezerach częstotliwości (rys. 3), podczas gdy jitter powoduje błędy taktowania, a tym samym przyczynia się do zwiększonej bitowej stopy błędów (BER) przy transmisji danych.

Jitter w domenie czasu powoduje błędy próbkowania w przetwornikach analogowo- cyfrowych, a tym samym wpływa również na stosunek sygnału do szumu (SNR) i wyniki późniejszej analizy sygnału w domenie częstotliwości z użyciem szybkiej transformaty Fouriera (FFT).

Rodzina oscylatorów MultiVolt (MV) firmy ECS zapewnia stabilność podstawową nawet do ±20 ppm, a wersje SMV nawet ±5 ppm. Jeszcze lepsze są produkty TCXO ze stabilnością rzędu ±2,5 ppm w wersji z wyjściami HCMOS i ±0,5 ppm dla modeli z wyjściami o tzw. obciętej sinusoidzie.

Szum fazowy i jitter (drżenie zboczy) jest zawsze ważnym kryterium wyboru w zaawansowanych projektach i należy go uwzględnić w szacowaniu błędów. Należy zauważyć, że istnieje wiele typów jittera, w tym bezwzględny, między cyklami, fazowy, długoterminowy i okresowy, a w przypadku szumu fazowego istnieją również różne zakresy i typy całkowania, w tym biały i inne "kolory" szumu.

Zrozumienie specyfiki fluktuacji częstotliwości i szumu fazowego na oscylatorze oraz jego wpływu na działanie aplikacji może być często wyzwaniem. Trudno jest też przeliczyć specyfikację z jednej domeny na drugą, tych informacji należy szukać w specyfikacji. Ważne jest również, aby dobrze rozumieć różne definicje parametrów używane przez producentów, określające ilościowo wydajność oscylatorów i pozwalające na szacowanie całkowitego błędu.

Typ sygnału wyjściowego i driver wyjściowy – muszą zostać dopasowane do obciążenia (rys. 4). Dwie popularne topologie konfiguracji wyjściowych to single-ended (niesymetryczne) i różnicowe.

 

Rys. 4. Różne dostępne konfiguracje wyjścia oscylatora

Oscylatory z wyjściem niesymetrycznym są prostsze w użyciu, ale mają większą wrażliwość na zakłócenia i zwykle nadają się tylko do kilkuset megaherców. Wśród dostępnych tego typów wyjść są dostępne drivery:

• TTL z logiką od 0,4 do 2,4 V (obecnie rzadko używane),
• CMOS od 0,5 do 4,5 V,
• HCMOS (szybki CMOS) od 0,5 do 4,5 V,
• LVCMOS (niskonapięciowy CMOS) od 0,5 do 4,5 V.

Wyjścia różnicowe są trudniejsze w użyciu, ale zapewniają lepsze parametry przy wysokich częstotliwościach, ponieważ zakłócenia wspólne dla ścieżek różnicowych są kasowane. Typy wyjść różnicowych to:

• PECL od 3,3 do 4,0 V,
• CML od 0,4 do 1,2 V i 2,6 do 3,3 V,
• LVPECL (niskonapięciowy PECL) od 1,7 do 2,4 V,
• LVDS od 1,0 do 1,4 V,
• HCSL od 0,0 do 0,75 V.

Przebieg wyjściowy oscylatora może być klasyczną sinusoidą jednoczęstotliwościową lub sinusoidą z obciętymi szczytami (rys. 5). Czysty sinus jest najmniej podatny na fluktuacje i szumy fazowe w porównaniu z wersją obciętą przez komparator, ponieważ powoduje to dodanie zakłóceń i jittera, a tym samym degradację. Przycięta fala sinusoidalna jest podobna do fali prostokątnej i może być bezpośrednio podawana na logikę cyfrową.

 

Rys. 5. Ścięta sinusoida ma kształt zbliżony do fali prostokątnej przy jednocześnie małym jitterze lub szumie fazowym

Napięcie i prąd zasilania: pobór mocy w ostatnich latach znacznie zmalał, napięcie zasilania jest coraz mniejsze, co odpowiada potrzebom dzisiejszych urządzeń często zasilanych bateryjnie. Większość oscylatorów z serii MultiVolt może pracować przy napięciu zasilania 1,8, 2,5, 3,0 i 3,3 V.

Wielkość obudowy: obudowy oscylatorów również są coraz mniejsze. Wielu producentów trzyma standardowe rozmiary dla wersji z wyjściem niesymetrycznym (które wymagają tylko czterech pinów), podczas gdy wersje z wyjściem różnicowym mają sześć końcówek i stąd też większe obudowy, o wymiarach: 1612 1,6×1,2 mm, 2016 2,0×1,6 mm, 2520 2,5×2,0 mm, 3225 3,2×2,5 mm, 5032 5,0×3,2 mm, 7050 7,0×5,0 mm.

Zakres temperatur

Na pracę oscylatorów w największym stopniu wpływa temperatura. Nawet jeśli pobierana moc jest mała, a zatem samonagrzewanie jest prawie pomijalne, temperatura otoczenia wpływa na częstotliwość roboczą, ponieważ zmiany te wpływają na wymiary mechaniczne i siły naprężeń mechanicznych w krysztale kwarcu. Ważne jest, aby sprawdzić działanie wybranego oscylatora na skrajnych wartościach oczekiwanych zakresów. Te zakresy są powszechnie określane jako:

• Komercyjne, motoryzacyjny w 4 klasie od 0 do + 70°C,
• Rozszerzony komercyjny od −20 do + 70°C,
• Przemysłowy, motoryzacyjny w 3 klasie od –40 do + 85°C,
• Rozszerzona klasa przemysłowa, motoryzacyjna klasa druga od –40 do + 105°C,
• Motoryzacyjna klasa 1 od –40 do + 125°C,
• Wojskowe: od –55 do + 125°C,
• Motoryzacyjna klasa 0 od –40 do + 150°C.

W przypadku niektórych projektów brana jest pod uwagę nie tylko stabilność w funkcji temperatury, ale także potrzeba spełnienia innych wymagań dotyczących niezawodności. Na przykład ECS- -2016MVQ to miniaturowy oscylator w obudowie SMD z serii MultiVolt i wyjściem HCMOS o napięciu od 1,7 do 3,6 V (rys. 6). Obudowa ceramiczna w wymiarze 2016 (2,0×1,6 mm) ma jedynie 0,85 mm wysokości. Jest on przeznaczony do wymagających zastosowań przemysłowych i ma certyfikat AEC-Q200 (motoryzacyjny) klasy 1. Jest dostępny dla częstotliwości w zakresie od 1,5 do 54 MHz w czterech stopniach stabilności, od ±20 ppm do ±100 ppm w zakresie od –40°C do +85°C. Jego jitter fazowy jest bardzo mały i wynosi zaledwie 1 ps w paśmie od 12 kHz do 5 MHz.

Do zastosowań, w których konieczny jest mały dryf temperaturowy w całym zakresie, dostępne są dwie zaawansowane wersje: z kompensacją temperatury (TCXO) i z wbudowanym termostatem OCXO. TCXO wykorzystuje aktywny obwód do kompensacji różnicy częstotliwości wyjściowej spowodowanej zmianami temperatury. Natomiast w OCXO oscylator kwarcowy jest umieszczony w izolowanym termicznie otoczeniu, które jest ogrzewane i utrzymywane w stałej temperaturze powyżej maksymalnej temperatury otoczenia.

 

Rys. 6. Oscylator ECS-2016MVQ jest dostępny dla częstotliwości od 1,5 do 54 MHz oraz w czterech stopniach stabilności od ±20 ppm do ±100 ppm

 

Rys. 7. ECS-TXO-32CSMV to oscylator kwarcowy z obciętą sinusoidą na wyjściu i wbudowaną kompensacją temperaturową znacznie poprawiającą stabilność

TCXO mają bardziej skomplikowaną konstrukcję w porównaniu do wersji podstawowej, ale pobierają znacznie mniej mocy niż OCXO z wbudowaną grzałką, który zwykle wymaga kilku watów. Ponadto TCXO jest tylko nieznacznie większy niż nieskompensowana jednostka i jest znacznie mniejszy niż OCXO. TCXO zazwyczaj ma dryft od 10 do 40 razy lepszy niż jednostka bez kompensacji, podczas gdy OXCO jest lepszy nawet o dwa rzędy wielkości.

ECS-TXO-32CSMV to przykładowy TCXO z wyjściem sinusoidalnym w obudowie SMD z serii MultiVolt (zasilanie od 1,7 do 3,465 V), dostępny dla zakresu częstotliwości od 10 do 52 MHz (rys. 7). Jego obudowa ceramiczna o wymiarach 3,2×2,5×1,2 mm doskonale nadaje się do zastosowań w urządzeniach przenośnych i bezprzewodowych, w których stabilność ma kluczowe znaczenie. Specyfikacja przekonuje o jego niezwykle dużej stabilności temperaturowej, przy zmianach napięcia zasilania, różnym obciążeniu i podczas starzenia się, a także niewielkim zapotrzebowaniu na prąd poniżej 2 mA (tabela 1).

Niski pobór mocy jest często priorytetem

Elektronika mobilna i obszar IoT tworzy duże zapotrzebowanie na oscylatory kwarcowe o niższej częstotliwości niezbędne do taktowania logiki w zastosowaniach o ekstremalnie małym poborze mocy. Do takich celów nadaje się układ ECS-327MVATX w wersji SMD (obudowy od 2016 do 7050) o stałej częstotliwości 32,768 kHz i z funkcją MultiVolt (zasilanie od 1,6 do 3,6 V). Pobiera on tylko 200 μA i ma wyjście CMOS. Doskonale nadaje się do współpracy z zegarami czasu rzeczywistego (RTC) i do Internetu Rzeczy, zapewniając stabilność częstotliwości w zakresie od ±20 ppm do ±100 ppm w zakresie temperatur od –40 do +85°C, w zależności od wersji.

Aby zminimalizować zużycie energii, wiele oscylatorów pozwala na wyłączanie. Na przykład ECS-5032MV to wersja 125 MHz typu MultiVolt (od 1,6 do 3,6 V) z wyjściem CMOS w obudowie ceramicznej 5032 (rys. 8). Dodatkowy pin blokujący pracę pozwala na zmniejszenie prądu zasilania z 35 mA w stanie aktywnym do 10 μA w stanie gotowości. Czas rozruchu wynosi 5 ms.

 

Rys. 8. ECS-5032MV to oscylator 125 MHz z funkcją wyłączania, która pomaga oszczędzać energię

Dopasowanie parametrów do zastosowania

Decyzja o wyborze odpowiedniego oscylatora kwarcowego to coś więcej niż oczywiste rozważenie wyboru częstotliwości, stabilności i maksymalnych fluktuacji i szumów fazowych. Projektant musi również upewnić się, że driver jest kompatybilny z obciążeniem. Istnieją pewne ogólne wytyczne:

• Wyjście LVDS wymaga tylko jednego rezystora terminującego w odbiorniku, podczas gdy LVPECL wymaga terminatora zarówno w nadajniku, jak i odbiorniku.
• LVDS, LVPECL i HCSL zapewniają bardziej strome zbocza niż CMOS, ale pobierają więcej mocy i najlepiej nadają się do projektów wymagających wysokiej częstotliwości.
• W przypadku konieczności najmniejszego zużycia energii powyżej 150 MHz najlepszym wyborem są CMOS lub LVDS.
• LVPECL, LVDS, a następnie CMOS oferują mały jitter przy niższych częstotliwościach.

Rolf Horn, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/