Piirin ajoitus on kriittinen toiminto, jota monet elektroniset laitteet, mukaan lukien mikro-ohjaimet, USB-, Ethernet-, Wi-Fi- ja Bluetooth-liitännät, sekä tietokonelaitteet ja oheislaitteet, lääketieteelliset laitteet, testi- ja mittauslaitteet, teollinen ohjaus ja automaatio, esineiden Internet (IoT), puettavat laitteet ja kulutuselektroniikka, vaativat. Vaikka kideohjatun oskillaattorin suunnittelu järjestelmän ajoitusta varten saattaa aluksi tuntua yksinkertaiselta, suunnittelijoiden on otettava huomioon useita parametreja ja suunnitteluvaatimuksia sovittaessaan kvartsikidettä oskillaattorin IC:hen.
On otettava huomioon useita tekijöitä, mukaan lukien kiteen liikeimpedanssi, resonanssitila, käyttöteho ja oskillaattorin negatiivinen vastus. Piiriasettelun suhteen suunnittelijoiden on otettava huomioon PCB:n loiskapasitanssi, lisättävä suojanauha kiteen ympärille ja sisällytettävä-sirukondensaattoreita. Lopullisen rakenteen on oltava kompakti ja luotettava, ja siinä on vähiten komponentteja, pieni RMS-värinä ja minimaalinen virrankulutus laajalla tulojännitealueella.
Yksinkertainen pakattu kideoskillaattori (SPXO) on yksi ratkaisu. Nämä jatkuvan jännitteen oskillaattorit on optimoitu alhaiseen virrankulutukseen ja alhaiseen RMS-värinään, ja ne voivat toimia millä tahansa jännitteellä välillä 1,60 V ja 3,60 V, jolloin suunnittelijat voivat saavuttaa ratkaisun, joka voidaan integroida järjestelmään pienellä suunnittelutyöllä.
Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti joitakin tärkeitä suorituskykyvaatimuksia, jotka on täytettävä, ja suunnittelun haasteita, jotka on voitettava suunniteltaessa ajastuspiirejä käyttämällä erillisiä kvartsikiteitä ja ajoitus-IC:itä. Sen jälkeen esitellään Abraconin SPXO-ratkaisut ja kerrotaan, kuinka suunnittelijat voivat käyttää näitä laitteita täyttääkseen tehokkaasti elektronisten järjestelmien ajoitusvaatimukset.
Kristallioskillaattorin toiminnan ja suunnittelun haasteet
Virrankulutus on kriittinen näkökohta pienille akkukäyttöisille{0}}langattomille laitteille. Monet tällaiset laitteet perustuvat ultra-low-power system-on-chip (SoC) -radioihin ja prosessoreihin, jotka voivat tukea useiden vuosien akun kestoa. Lisäksi, koska akku on usein järjestelmän kallein komponentti, sen koon minimoiminen on ratkaisevan tärkeää laitekustannusten hallinnassa. Valmiustilavirta on kuitenkin usein kriittisin akun kestonäkökohta pienissä langattomissa järjestelmissä, ja valmiustilavirtaa hallitsee usein kellooskillaattori. Siksi on ratkaisevan tärkeää minimoida oskillaattorin virrankulutus.
Valitettavasti pienitehoisen-oskillaattorin suunnittelu voi olla haastavaa. Yksi tapa säästää energiaa on minimoida valmiusvirta siirtymällä "pois päältä"-tilaan ja käynnistämällä oskillaattori tarvittaessa. Kideoskillaattorin nopean ja luotettavan käynnistyksen vaatiminen ei kuitenkaan ole helppo tehtävä. Suunnittelijoiden on varmistettava, että oskillaattori pysyy alhaisessa-virtatilassa valmiustilassa ja että sillä on luotettavat käynnistysominaisuudet kaikissa käyttö- ja ympäristöolosuhteissa.
Pierce-oskillaattorikokoonpano löytyy yleisesti{0}}pientehoisista langattomista SoC:ista (kuva 1). Pierce-oskillaattori on rakennettu käyttämällä kidettä (X) ja kuormituskondensaattoreita (C1 ja C2), joita ympäröi invertoiva vahvistin, jossa on sisäinen takaisinkytkentävastus. Sopivissa olosuhteissa, kun vahvistimen lähtö syötetään takaisin tuloon, syntyy negatiivinen vastus, joka johtaa värähtelyyn.
Kuva 1: Pierce-oskillaattorin peruskonfiguraatio, joka on rakennettu kiteen (X) ja kuormituskondensaattorien C1 ja C2 ympärille.
Kiteen rakenne on monimutkainen; tämä keskustelu kattaa vain oskillaattorissa toimivien kiteiden pintakerroksen ja yksinkertaistetun rakenteen.
Suljetun-silmukan vahvistusmarginaalia Gm voidaan käyttää ansiolukuna (FOM) kuvaamaan oskillaattorin luotettavuutta suhteessa erilaisiin häviöihin. Suljetun-silmukan vahvistusmarginaalia kutsutaan myös oscillation marginiksi (OA). Alle 5 OA-arvo voi johtaa alhaiseen tuotantokapasiteettiin ja lämpötilaan liittyviin{5}}käynnistysongelmiin. Mallit, joiden OA-arvo on 20 tai korkeampi, ovat kestäviä ja kestäviä, toimivat luotettavasti suunnitellun käyttölämpötila-alueen sisällä ja niillä on minimaalinen vaikutus eri tuotantoerillä kiteen ja SoC:n suorituskykyominaisuuksiin.
Oskillaattorin OA:n mittaamiseksi piiriin voidaan lisätä muuttuva vastus Ra (kuva 2). Kasvata Ra-arvoa, kunnes oskillaattori ei käynnisty. Tätä menetelmää käytetään OA-arvon määrittämiseen, kuten alla on esitetty:
Yhtälö 1
Jossa:
Rn on negatiivinen resistanssi
Re on vastaava sarjavastus (ESR).
Yhtälö 2
Yhtälö 3
Kun kuormakapasitanssi CL lasketaan seuraavasti:
Yhtälö 4
jossa Cs on piirin muuttuva kondensaattori, jonka kapasitanssiarvo on tyypillisesti välillä 3,0 - 5,0 pF.
Kuva 2: Näyttää laajennetun kidemallin (keskilaatikko) ja säädettävän vastuksen (Ra), jota käytetään värähtelymarginaalin mittaamiseen.
OA riippuu ESR:stä (Re), ja ESR riippuu kvartsikideparametreista Rm ja kuormakapasitanssista CL. Pienitehoisten-oskillaattorien, kuten sellaisten, joita käytetään pienitehoisissa langattomissa{2}}laitteissa, Rm:n ja CL:n vaikutus OA:han kasvaa. OA:n mittaaminen vie aikaa-ja voi pidentää kehitysprosessia. Siksi tämä tehtävä voidaan jättää huomiotta, mikä johtaa suorituskykyongelmiin, kun järjestelmä tai laite otetaan tuotantoon.
Lisäksi korkean OA:n asettaminen oskillaattorin luotettavan toiminnan varmistamiseksi voi aiheuttaa muita ongelmia. Esimerkiksi vaikka korkeampi OA parantaa oskillaattoripiirin suorituskykyä, se voi jättää huomiotta kiteen aiheuttamat tehohäviöt. Tällaiset menetykset voivat olla merkittävä tekijä. Viitaten kuvioon 2, kiteen liikeresistanssi Rm aiheuttaa tehohäviön, kun virta kulkee ajoittain vastuksen läpi. Kun CL on suuri, se lisää sekä virtaa että häviöitä. Siksi suunnittelijoiden on tasapainotettava kristallitehohäviö kohtuullisen OA-arvon kanssa.
Värinän välttäminen
Kvartsikideoskillaattoria suunniteltaessa on tärkeää ymmärtää ja vähentää tärinää. Jitteriä on kahta tyyppiä, tyypillisesti mitattuna neliön keskiarvon (RMS) arvolla:
Jaksovärinä: Tunnetaan myös vaihevärinänä. Tämä viittaa useiden mitattujen värähtelyjaksojen väliseen enimmäisaikaeroon, joka mitataan tyypillisesti vähintään 10 jakson aikana.
Jakson värinä: Tämä on kellon reunan suurin vaihtelu, joka mitataan kullekin jaksolle useiden jaksojen sijaan.
Kvartsikideoskillaattorien tärinän ensisijaisia lähteitä ovat virtalähteen kohina, signaalitaajuuden kokonaislukuharmoniset, väärät kuormitus- ja pääteolosuhteet, vahvistimen kohina ja tietyt piirikonfiguraatiot. Lähteestä riippuen voidaan käyttää erilaisia menetelmiä värinän minimoimiseksi.
Käytä ohituskondensaattoreita, siruinduktoreita tai vastus-kondensaattorisuodattimia (RC) ohjaamaan virtalähteen kohinaa.
Kriittisissä sovelluksissa, jotka vaativat äärimmäisen alhaista värinää, harmonisten säätömenetelmien luominen on ratkaisevan tärkeää (tämän artikkelin soveltamisalan ulkopuolella).
Vähennä lähtöön heijastuvaa tehoa optimoimalla kuormitus- ja pääteolosuhteet.
Vältä malleja, jotka sisältävät vaihe{0}}lukittuja silmukoita, kertoimia tai ohjelmoitavia toimintoja, koska ne lisäävät usein värinää.
Jatkuvan jännitteen kristallioskillaattorit
Abraconin ASADV-, ASDDV- ja ASEDV SPXO:iden käyttäminen on edullista suunniteltaessa järjestelmiä, joissa bias-jännite vaihtelee välillä 1,60-3,60 V (kuva 3). SPXO-sarja kattaa eri taajuusalueita; ASADV-laitteet toimivat taajuuksilla 1,25 MHz - 100 MHz, kun taas ASDDV- ja ASEDV-laitteet toimivat 1 MHz - 160 MHz. Sarja noudattaa RoHS/RoHS II -standardeja ja käyttää sinetöityjä keraamisia pintakiinnityslaitteita (SMD). Käyttölämpötila-alueella -40 asteesta +85 asteeseen sarja saavuttaa taajuuden vakauden ±25 ppm.
OA riippuu ESR:stä (Re), ja ESR riippuu kvartsikideparametreista Rm ja kuormakapasitanssista CL. Pienitehoisten-oskillaattorien, kuten sellaisten, joita käytetään pienitehoisissa langattomissa{2}}laitteissa, Rm:n ja CL:n vaikutus OA:han kasvaa. OA:n mittaaminen vie aikaa-ja voi pidentää kehitysprosessia. Siksi tämä tehtävä voidaan jättää huomiotta, mikä johtaa suorituskykyongelmiin, kun järjestelmä tai laite otetaan tuotantoon.
Lisäksi korkean OA:n asettaminen oskillaattorin luotettavan toiminnan varmistamiseksi voi aiheuttaa muita ongelmia. Esimerkiksi vaikka korkeampi OA parantaa oskillaattoripiirin suorituskykyä, se voi jättää huomiotta kiteen aiheuttamat tehohäviöt. Tällaiset menetykset voivat olla merkittävä tekijä. Viitaten kuvioon 2, kiteen liikeresistanssi Rm aiheuttaa tehohäviön, kun virta kulkee ajoittain vastuksen läpi. Kun CL on suuri, se lisää sekä virtaa että häviöitä. Siksi suunnittelijoiden on tasapainotettava kristallitehohäviö kohtuullisen OA-arvon kanssa.
Värinän välttäminen
Kvartsikideoskillaattoria suunniteltaessa on tärkeää ymmärtää ja vähentää tärinää. Jitteriä on kahta tyyppiä, tyypillisesti mitattuna neliön keskiarvon (RMS) arvolla:
Jaksovärinä: Tunnetaan myös vaihevärinänä. Tämä viittaa useiden mitattujen värähtelyjaksojen väliseen enimmäisaikaeroon, joka mitataan tyypillisesti vähintään 10 jakson aikana.
Jakson värinä: Tämä on kellon reunan suurin vaihtelu, joka mitataan kullekin jaksolle useiden jaksojen sijaan.
Kvartsikideoskillaattorien tärinän ensisijaisia lähteitä ovat virtalähteen kohina, signaalitaajuuden kokonaislukuharmoniset, väärät kuormitus- ja pääteolosuhteet, vahvistimen kohina ja tietyt piirikonfiguraatiot. Lähteestä riippuen voidaan käyttää erilaisia menetelmiä värinän minimoimiseksi.
Käytä ohituskondensaattoreita, siruinduktoreita tai vastus-kondensaattorisuodattimia (RC) ohjaamaan virtalähteen kohinaa.
Kriittisissä sovelluksissa, jotka vaativat äärimmäisen alhaista värinää, harmonisten säätömenetelmien luominen on ratkaisevan tärkeää (tämän artikkelin soveltamisalan ulkopuolella).
Vähennä lähtöön heijastuvaa tehoa optimoimalla kuormitus- ja pääteolosuhteet.
Vältä malleja, jotka sisältävät vaihe{0}}lukittuja silmukoita, kertoimia tai ohjelmoitavia toimintoja, koska ne lisäävät usein värinää.
Yhteenveto
Suunnittelijat tarvitsevat tarkkoja ja luotettavia oskillaattorit tarjotakseen vakaan ajoituksen monenlaisissa sovelluksissa ja käyttölämpötiloissa. Erilliset kideohjatut oskillaattorit voivat täyttää vaaditut suorituskykyominaisuudet, mutta on teknisesti haastavaa suunnitella tehokkaasti kiteitä käyttämällä, mikä vie aikaa- ja aiheuttaa tarpeettomia kustannuksia. Lisäksi ne eivät ole optimaalinen valinta muodoltaan.
Kuten kuvasta näkyy, suunnittelijat voivat käyttää pienitehoisia integroituja SPXO:ita. Nämä SPXO:t muodostavat-käyttövalmiin-käyttövalmiin ajoitusratkaisun, joka saavuttaa erinomaisen taajuusvakauden erittäin laajalla käyttölämpötila-alueella. Käyttämällä SPXO:ita suunnittelijat voivat vähentää komponenttien määrää, minimoida ratkaisun koon, alentaa kokoonpanokustannuksia ja parantaa luotettavuutta.