Cronometrarea circuitului este o funcție critică cerută de multe dispozitive electronice, inclusiv microcontrolere, interfețe USB, Ethernet, Wi-Fi și Bluetooth, precum și dispozitive de calcul și periferice, dispozitive medicale, echipamente de testare și măsurare, control industrial și automatizare, Internetul obiectelor (IoT), dispozitive portabile și electronice de larg consum. În timp ce proiectarea unui oscilator controlat cu cristal-pentru a oferi sincronizarea sistemului poate părea inițial simplă, proiectanții trebuie să ia în considerare numeroși parametri și cerințe de proiectare atunci când potrivesc cristalul de cuarț cu circuitul integrat al oscilatorului.
Există mai mulți factori de luat în considerare, inclusiv impedanța mișcării cristalului, modul de rezonanță, puterea de antrenare și rezistența negativă a oscilatorului. În ceea ce privește structura circuitului, proiectanții trebuie să țină cont de capacitatea parazitară PCB, să adauge o bandă de protecție în jurul cristalului și să încorporeze condensatori pe-cip. Designul final trebuie să fie compact și fiabil, cu cele mai puține componente, fluctuații scăzute ale rădăcinii pătrate (RMS) și consum minim de energie pe o gamă largă de tensiuni de intrare.
Un oscilator cu cristal simplu (SPXO) este o soluție. Aceste oscilatoare de tensiune continuă sunt optimizate pentru un consum redus de energie și fluctuații RMS scăzute și pot funcționa la orice tensiune între 1,60 V și 3,60 V, permițând proiectanților să obțină o soluție care poate fi integrată în sistem cu un efort minim de proiectare.
Acest articol va discuta pe scurt unele dintre cerințele importante de performanță care trebuie îndeplinite și provocările de proiectare care trebuie depășite la proiectarea circuitelor de temporizare folosind cristale de cuarț discrete și circuite integrate de sincronizare. Apoi va prezenta soluțiile SPXO de la Abracon și va explica modul în care designerii pot folosi aceste dispozitive pentru a îndeplini în mod eficient cerințele de sincronizare ale sistemelor electronice.
Provocări de operare și proiectare a oscilatorului de cristal
Consumul de energie este o considerație critică pentru dispozitivele wireless alimentate cu baterii mici-. Multe astfel de dispozitive se bazează pe sisteme radio și procesoare cu putere ultra-scăzută{{3}-pe-chip (SoC) care pot suporta durata de viață a bateriei de câțiva ani. În plus, deoarece bateria este adesea cea mai scumpă componentă a sistemului, reducerea la minimum a dimensiunii acesteia este crucială pentru controlul costurilor dispozitivului. Acestea fiind spuse, curentul de așteptare este adesea cea mai critică considerație a duratei de viață a bateriei în sistemele fără fir mici, iar curentul de așteptare este adesea dominat de oscilatorul de ceas. Prin urmare, este crucial să se minimizeze consumul de curent al oscilatorului.
Din păcate, proiectarea unui-oscilator cu putere redusă poate fi o provocare. O metodă de economisire a energiei este de a minimiza curentul de așteptare prin intrarea într-o stare „dezactivată” și pornirea oscilatorului atunci când este necesar. Cu toate acestea, necesitatea unui oscilator cu cristal pentru a porni rapid și fiabil nu este o sarcină ușoară. Proiectanții trebuie să se asigure că oscilatorul rămâne într-o stare de curent scăzut-în timpul standby și are caracteristici de pornire fiabile în toate condițiile de funcționare și de mediu.
Configurația oscilatorului Pierce se găsește în mod obișnuit în SoC-urile wireless cu putere redusă-(Figura 1). Oscilatorul Pierce este construit folosind un cristal (X) și condensatoare de sarcină (C1 și C2), înconjurate de un amplificator inversor cu un rezistor de feedback intern. În condiții adecvate, atunci când ieșirea amplificatorului este alimentată înapoi la intrare, se generează o rezistență negativă, ceea ce duce la oscilație.
Figura 1: Configurația de bază a oscilatorului Pierce construită în jurul cristalului (X) și a condensatorilor de sarcină C1 și C2.
Structura cristalină este complexă; această discuție acoperă doar stratul superior și structura simplificată a cristalelor care funcționează în oscilatoare.
Marja de câștig în buclă închisă-Gm poate fi utilizată ca o cifră de merit (FOM) pentru a descrie fiabilitatea unui oscilator în raport cu diferite pierderi. Marja de câștig-în buclă închisă este denumită și marjă de oscilație (OA). O valoare OA mai mică de 5 poate duce la un proces de producție scăzut și probleme legate de temperatură-pornire. Modelele cu o valoare OA de 20 sau mai mare sunt robuste și durabile, funcționează fiabil în intervalul de temperatură de funcționare proiectată și prezintă un impact minim de la diferite loturi de producție asupra caracteristicilor de performanță a cristalului și SoC.
Pentru a măsura OA al oscilatorului, un rezistor variabil Ra poate fi adăugat la circuit (Figura 2). Creșteți valoarea Ra până când oscilatorul nu pornește. Aceasta este metoda utilizată pentru a determina valoarea OA, după cum se arată mai jos:
Ecuația 1
Unde:
Rn este rezistența negativă
Re este rezistența în serie echivalentă (ESR).
Ecuația 2
Ecuația 3
În cazul în care capacitatea de sarcină CL este calculată după cum urmează:
Ecuația 4
unde Cs este condensatorul variabil al circuitului, cu o valoare a capacității de obicei între 3,0 și 5,0 pF.
Figura 2: Prezintă modelul de cristal extins (caseta din mijloc) și rezistența reglabilă (Ra) utilizate pentru a măsura marja de oscilație.
OA depinde de ESR (Re), iar ESR depinde de parametrii cristalului de cuarț Rm și de capacitatea de încărcare CL. Pentru oscilatoarele de-putere redusă, cum ar fi cele utilizate în dispozitivele wireless de-putere redusă, influența Rm și CL asupra OA crește. Măsurarea OA necesită timp-și poate prelungi procesul de dezvoltare. Prin urmare, această sarcină poate fi neglijată, ceea ce duce la probleme de performanță atunci când sistemul sau dispozitivul este pus în producție.
În plus, setarea unui OA ridicat pentru a asigura funcționarea fiabilă a oscilatorului poate cauza alte probleme. De exemplu, în timp ce un OA mai mare îmbunătățește performanța circuitului oscilator, poate trece cu vederea pierderile de putere cauzate de cristal. Astfel de pierderi pot fi un factor semnificativ. Referindu-ne la Figura 2, rezistența la mișcare a cristalului Rm determină disiparea puterii pe măsură ce curentul trece periodic prin rezistor. Când CL este mare, crește atât curentul, cât și pierderile. Prin urmare, designerii trebuie să echilibreze pierderea de putere a cristalului cu o valoare rezonabilă OA.
Evitarea agitației
Când proiectați un oscilator cu cristal de cuarț, este important să înțelegeți și să reduceți fluctuația. Jitter-ul are două tipuri, de obicei măsurate prin valoarea rădăcină medie pătrată (RMS):
Fluctuarea perioadei: Cunoscută și sub denumirea de fluctuație de fază, aceasta se referă la diferența maximă de timp dintre mai multe perioade de oscilație măsurate, măsurate de obicei pe cel puțin 10 perioade.
Cycle jitter: Aceasta este variația maximă a marginii unui ceas, măsurată pentru fiecare ciclu și nu pentru mai multe cicluri.
Sursele primare de fluctuație în oscilatoarele cu cristal de cuarț includ zgomotul sursei de alimentare, armonicile întregi ale frecvenței semnalului, condițiile de încărcare și terminare necorespunzătoare, zgomotul amplificatorului și anumite configurații de circuit. În funcție de sursă, pot fi utilizate diferite metode pentru a minimiza fluctuația.
Folosiți condensatori de bypass, inductori cu cip sau filtre-condensatoare (RC) pentru a controla zgomotul sursei de alimentare.
În aplicațiile critice care necesită jitter extrem de scăzut, stabilirea unei metode de control al armonicilor este crucială (dincolo de scopul acestui articol).
Reduceți puterea reflectată înapoi la ieșire prin optimizarea condițiilor de sarcină și de terminare.
Evitați proiectele care includ bucle blocate de fază-, multiplicatori sau funcții programabile, deoarece acestea cresc adesea fluctuația.
Oscilatoare cu cristale de tensiune continuă
Utilizarea ASADV, ASDDV și ASEDV SPXO de la Abracon este avantajoasă pentru proiectarea sistemelor în care tensiunea de polarizare variază între 1,60 și 3,60 V (Figura 3). Seria SPXO acoperă diferite game de frecvență; Dispozitivele ASADV operează la frecvențe de la 1,25 MHz la 100 MHz, în timp ce dispozitivele ASDDV și ASEDV operează de la 1 MHz la 160 MHz. Seria respectă standardele RoHS/RoHS II și utilizează ambalaje ceramice sigilate pentru dispozitive de montare pe suprafață (SMD). În intervalul de temperatură de funcționare de la -40 grade până la +85 grade, seria atinge o stabilitate a frecvenței de ±25 ppm.
OA depinde de ESR (Re), iar ESR depinde de parametrii cristalului de cuarț Rm și de capacitatea de încărcare CL. Pentru oscilatoarele de-putere redusă, cum ar fi cele utilizate în dispozitivele wireless de-putere redusă, influența Rm și CL asupra OA crește. Măsurarea OA necesită timp-și poate prelungi procesul de dezvoltare. Prin urmare, această sarcină poate fi neglijată, ceea ce duce la probleme de performanță atunci când sistemul sau dispozitivul este pus în producție.
În plus, setarea unui OA ridicat pentru a asigura funcționarea fiabilă a oscilatorului poate cauza alte probleme. De exemplu, în timp ce un OA mai mare îmbunătățește performanța circuitului oscilator, poate trece cu vederea pierderile de putere cauzate de cristal. Astfel de pierderi pot fi un factor semnificativ. Referindu-ne la Figura 2, rezistența la mișcare a cristalului Rm determină disiparea puterii pe măsură ce curentul trece periodic prin rezistor. Când CL este mare, crește atât curentul, cât și pierderile. Prin urmare, designerii trebuie să echilibreze pierderea de putere a cristalului cu o valoare rezonabilă OA.
Evitarea agitației
Când proiectați un oscilator cu cristal de cuarț, este important să înțelegeți și să reduceți fluctuația. Jitter-ul are două tipuri, de obicei măsurate prin valoarea rădăcină medie pătrată (RMS):
Fluctuarea perioadei: Cunoscută și sub denumirea de fluctuație de fază, aceasta se referă la diferența maximă de timp dintre mai multe perioade de oscilație măsurate, măsurate de obicei pe cel puțin 10 perioade.
Cycle jitter: Aceasta este variația maximă a marginii unui ceas, măsurată pentru fiecare ciclu și nu pentru mai multe cicluri.
Sursele primare de fluctuație în oscilatoarele cu cristal de cuarț includ zgomotul sursei de alimentare, armonicile întregi ale frecvenței semnalului, condițiile de încărcare și terminare necorespunzătoare, zgomotul amplificatorului și anumite configurații de circuit. În funcție de sursă, pot fi utilizate diferite metode pentru a minimiza fluctuația.
Folosiți condensatori de bypass, inductori cu cip sau filtre-condensatoare (RC) pentru a controla zgomotul sursei de alimentare.
În aplicațiile critice care necesită jitter extrem de scăzut, stabilirea unei metode de control al armonicilor este crucială (dincolo de scopul acestui articol).
Reduceți puterea reflectată înapoi la ieșire prin optimizarea sarcinii și a condițiilor de terminare.
Evitați proiectele care includ bucle blocate de fază-, multiplicatori sau funcții programabile, deoarece acestea cresc adesea fluctuația.
Rezumat
Designerii au nevoie de oscilatoare precise și fiabile pentru a oferi sincronizare stabilă într-o gamă largă de aplicații și temperaturi de funcționare. Oscilatorii controlați cu cristale-discrete pot îndeplini caracteristicile de performanță necesare, dar este o provocare tehnic să proiectați eficient folosind cristale, ceea ce necesită timp-și duce la costuri inutile. În plus, nu sunt alegerea optimă în ceea ce privește factorul de formă.
După cum se arată în figură, designerii pot utiliza SPXO integrate cu putere redusă-. Aceste SPXO formează o soluție de sincronizare gata de utilizare--, obținând o stabilitate excelentă a frecvenței într-un interval foarte larg de temperatură de funcționare. Prin utilizarea SPXO, designerii pot reduce numărul de componente, pot minimiza dimensiunea soluției, pot reduce costurile de asamblare și pot spori fiabilitatea.