Poznaj parametry oscylatora kwarcowego, aby zoptymalizować jego dobór w aplikacji

Oscylatory kwarcowe są źródłem częstotliwości wzorcowej i sygnałem taktowania w prawie wszystkich układach elektronicznych. W związku z tym muszą być dokładne i precyzyjne. Oczywiście "doskonały" oscylator istnieje tylko w teorii, więc problemem dla projektantów jest wybór odpowiedniego komponentu spełniającego założenia projektowe. Wybór wcale nie jest łatwy.

Posłuchaj
00:00

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/

Źródło: Digi-Key Electronics

Powiązane treści
Koniec ery rezonatorów kwarcowych
Zobacz więcej w kategorii: Technika
Optoelektronika
Technologia OLED - charakterystyka oraz przegląd zastosowań
Optoelektronika
Wyświetlacze OLED - nowe technologie
Elektromechanika
Czym jest antytampering i dlaczego warto go zrealizować
Komunikacja
Automatyka przemysłowa i budynkowa na dwóch przewodach
Optoelektronika
Wyświetlacze OLED w ofercie Unisystemu
Elektromechanika
Łączenie przewodów elektrycznych - przegląd dostępnych technologii zacisków
Zobacz więcej z tagiem: Projektowanie i badania
Gospodarka
Cyborgi z czułkami – owady sterowane mikrochipem nową nadzieją dla ratownictwa
Opinie
Czy oprogramowanie narzędziowe nie ma wartości?
Gospodarka
TAITRA uruchamia konkurs "Go Healthy with Taiwan"
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów