Cum să îndepliniți, într-un mod simplu și fiabil, cerințele de sincronizare a circuitelor de joasă putere folosind SPXO-uri

Sincronizarea circuitelor este o funcție critică necesară pentru o gamă largă de dispozitive electronice, inclusiv microcontrolere, interfețe USB, Ethernet, Wi-Fi și Bluetooth, precum și pentru dispozitivele de calcul și sistemele periferice, dispozitivele medicale, echipamentele de testare și măsurare, controlul și automatizarea industrială, Internetul lucrurilor (IoT), dispozitivele portabile și electronicele de consum. La început, proiectarea oscilatoarelor controlate cu cristal pentru sincronizarea sistemului pare a fi un simplu exercițiu, dar proiectanții trebuie să ia în considerare numeroși parametri și numeroase cerințe de proiectare atunci când potrivesc un cristal de cuarț cu un CI al unui oscilator.

Numeroasele considerente includ impedanța mobilă a cristalului, modul de rezonanță, nivelul de antrenare și rezistența negativă a oscilatorului. Pentru dispunerea circuitului, proiectantul trebuie să ia în considerare capacitatea parazită a plăcii PCB, includerea unei benzi de protecție în jurul cristalului și capacitatea integrată pe cip. Designul final trebuie să fie compact și fiabil, cu un număr minim de componente, să aibă o fluctuație medie pătratică (rms) redusă și să poată funcționa într-o gamă largă de tensiuni de intrare cu un consum minim de energie.

O soluție este utilizarea oscilatoarelor simple cu cristal (SPXO). Optimizate pentru un consum redus de energie și fluctuații rms reduse, precum și pentru funcționarea la orice tensiune între 1,60 și 3,60 volți, aceste oscilatoare cu tensiune continuă permit proiectanților să implementeze soluții care necesită un efort minim de proiectare pentru a fi integrate în sisteme.

Acest articol va prezenta pe scurt unele dintre cerințele importante de performanță și provocările de proiectare care trebuie îndeplinite pentru a proiecta cu succes circuite de sincronizare care utilizează cristale de cuarț discrete și CI-uri de sincronizare. Apoi prezintă soluțiile SPXO de la Abracon și arată cum pot fi utilizate de proiectanți pentru a îndeplini în mod eficient și eficace nevoile de sincronizare ale sistemelor electronice.

Funcționarea oscilatorului cu cristal și provocările de proiectare

Consumul de energie este un aspect important în cazul dispozitivelor wireless mici, alimentate cu baterii. Multe astfel de dispozitive se bazează pe radiouri și procesoare de tip system-on-chip (SoC) cu consum de energie foarte redus, care pot accepta baterii cu o durată de viață de mai mulți ani. De asemenea, reducerea la minimum a dimensiunii bateriei este importantă pentru a controla costul dispozitivului, deoarece bateria poate fi cea mai costisitoare componentă a sistemului. Acestea fiind spuse, curentul de standby este deseori cel mai important aspect al duratei de viață a bateriei în sistemele wireless mici, iar oscilatorul ceasului domină deseori curentul de standby. Prin urmare, minimizarea consumului de curent al oscilatorului este esențială.

Din nefericire, proiectarea oscilatoarelor cu consum redus de energie poate fi o provocare. O modalitate de economisire a energiei este de a minimiza curentul de standby prin intrarea într-o stare „dezactivată” și pornirea oscilatorului la nevoie. Cu toate acestea, pornirea rapidă și fiabilă a oscilatoarelor cu cristal nu este ușor de realizat. Proiectanții trebuie să garanteze că oscilatorul consumă puțin curent în modul de standby și că are caracteristici de pornire fiabile în toate condițiile de funcționare și de mediu.

Configurația oscilatorului Pierce este utilizată în mod obișnuit în SoC-urile wireless de joasă putere (Figura 1). Un oscilator Pierce este construit în jurul unui cristal (X) și a condensatoarelor de sarcină (C₁ și C₂), înfășurat într-un amplificator inversor care utilizează un rezistor de reacție intern. În condiții corecte, atunci când ieșirea amplificatorului este alimentată înapoi la intrare, rezultă o rezistență negativă și apare oscilarea.

Figura 1: configurația de bază a oscilatorului Pierce construit în jurul unui cristal (X) și a condensatoarelor de sarcină C₁ și C₂. (Sursa imaginii: Abracon)

Cristalele sunt structuri complexe; această discuție oferă doar o prezentare simplificată și de nivel superior a funcționării acestora în oscilatoare.

Marja de amplificare în buclă închisă, Gm, poate fi utilizată ca o cifră de merit (FOM) pentru a caracteriza fiabilitatea unui oscilator în raport cu diferite pierderi. Se mai numește și toleranța de oscilație (OA). OA mai mică de 5 poate duce la randamente de producție scăzute și la probleme de pornire legate de temperatură. Proiectele cu OA de 20 sau mai mult sunt robuste, asigură o funcționare fiabilă în intervalul de temperatură de funcționare proiectat și sunt insensibile la variațiile loturilor de producție în ceea ce privește caracteristicile de performanță ale cristalului și ale SoC.

Pentru a măsura OA pentru un oscilator, în circuit se adaugă un rezistor variabil R_a (Figura 2). Valoarea R_a este crescută până când oscilatorul nu mai poate porni. Aceasta este valoarea utilizată pentru a determina OA, după cum urmează:

 Ecuația 1

Unde:

R_n este rezistența negativă

R_e este rezistența echivalentă în serie (ESR)

 Ecuația 2

 Ecuația 3

Unde capacitatea de sarcină, C_L, se calculează folosind:

 Ecuația 4

Unde Cs este capacitatea circuitului teluric, de obicei între 3,0 și 5,0 picofarazi (pF).

Figura 2: oscilatorul Pierce care prezintă modelul extins al cristalului (în caseta din centru) și rezistorul reglabil (R_a) pentru măsurarea toleranței de oscilație. (Sursa imaginii: Abracon)

OA depinde de ESR (R_e), iar ESR depinde de parametrul cristalului de cuarț R_m și de capacitatea de sarcină C_L. Impactul pe care R_m și C_L îl au asupra OA crește în cazul oscilatoarelor de putere scăzută, cum ar fi cele utilizate în dispozitivele wireless de mică putere. Măsurarea OA necesită timp și poate părea că prelungește procesul de dezvoltare. Drept urmare, aceasta poate fi omisă, ceea ce cauzează probleme de performanță atunci când sistemul sau dispozitivul intră în producție.

În plus, setarea unei valori OA ridicate pentru a asigura o funcționare fiabilă a oscilatorului poate duce la alte probleme. De exemplu, o valoare OA ridicată va rezulta într-o performanță ridicată a circuitului oscilatorului, dar pierderile de energie cauzate de cristal pot fi trecute cu vederea. Aceste pierderi pot fi un factor semnificativ. Dacă ne întoarcem la Figura 2, rezistența la mișcare a cristalului, R_m, determină disiparea de energie pe măsură ce curentul trece prin rezistență. Curentul și pierderile cresc atunci când C_L este mai mare. Proiectanții trebuie să atingă un echilibru între pierderile de putere în cristal și o valoare rezonabilă pentru OA.

Evitarea fluctuației

La proiectarea oscilatoarelor cu cristal de cuarț, este important să se înțeleagă și să se reducă la minimum fluctuațiile. Există două tipuri de fluctuație, ambele fiind măsurate, de obicei, ca valori rms:

• Fluctuația de la ciclu la ciclu: numită și fluctuație de fază, este diferența maximă de timp între mai multe perioade de oscilație măsurate, de obicei măsurată pe cel puțin 10 perioade.
• Fluctuația de perioadă: aceasta este variația maximă a unei margini de ceas și se măsoară la fiecare perioadă, dar nu la perioade multiple.

Sursele majore de fluctuații în oscilatoarele cu cristale de cuarț includ zgomotul de alimentare, armonicele întregi ale frecvenței semnalului, condițiile de încărcare și de terminare necorespunzătoare, zgomotul amplificatorului și anumite configurații de circuit. În funcție de sursă, există mai multe metode care pot fi utilizate pentru a minimiza fluctuația:

• Utilizarea condensatoarelor de bypass, a perlelor de ferită sau a filtrelor de tip rezistor-condensator (RC) pentru a controla zgomotul de alimentare.
• În cazul aplicațiilor critice care necesită o fluctuație foarte scăzută, este important să se stabilească o metodă de control al armonicilor (care depășește sfera de aplicare a prezentului articol).
• Reduceți puterea reflectată înapoi la ieșire prin optimizarea condițiilor de sarcină și legate de terminații.
• Evitați utilizarea proiectelor care includ bucle cu blocare de fază, multiplicatori sau caracteristici programabile, deoarece acestea tind să crească fluctuațiile.

Oscilatoare cu cristal de tensiune continuă

Proiectanții de sisteme cu o tensiune de polarizare a sistemului variabilă între 1,60 și 3,60 volți pot beneficia de utilizarea SPXO-urilor ASADV, ASDDV și ASEDV de la Abracon (Figura 3). Aceste familii de SPXO acoperă diferite intervale de frecvență: de la 1,25 megahertzi (MHz) la 100 MHz pentru dispozitivele ASADV și de la 1 MHz la 160 MHz pentru dispozitivele ASDDV și ASEDV. Acestea sunt conforme cu RoHS/RoHS II și sunt livrate în pachete ceramice ermetice pentru dispozitive cu montare pe suprafață (SMD). Stabilitatea frecvenței acestora este de ±25 părți pe milion (ppm) în intervalul de temperatură de funcționare cuprins între -40°C și +85°C.

Figura 3: SPXO-urile ASADV (ilustrate), ASDDV și ASEDV sunt ambalate în pachete ceramice ermetice și pot funcționa de la -40 °C la +85 °C. (Sursa imaginii: Abracon)

ASADV măsoară 2,0 x 1,6 x 0,8 milimetri (mm), ASDDV măsoară 2,5 x 2,0 x 0,95 mm, iar ASEDV măsoară 3,2 x 2,5 x 1,2 mm. Aceste trei serii sunt disponibile într-o varietate de intervale comune de temperatură de funcționare, opțiuni de stabilitate și un format de ieșire compatibil CMOS/HCMOS/LVCMOS.

Este important faptul că familiile ASADV, ASDVD și ASEDV sunt optimizate pentru funcționarea la curent redus (Figura 4). Funcția de activare/dezactivare a ieșirii reduce curentul la numai 10 microamperi (μA) atunci când este dezactivată. Acestea au un timp maxim de pornire de 10 milisecunde (ms).

Figura 4: se prezintă consumul de curent al ASEDV în funcție de tensiunea de alimentare, care este tipic pentru performanța acestei familii de SPXO-uri (măsurat la 25°C ±3°C). (Sursa imaginii: Abracon)

Toate cele trei familii de SPXO-uri au un consum de curent deosebit de scăzut. Pentru ASADV, curentul maxim (măsurat la o sarcină de 15 pF la 25°C) variază de la 1,0 miliamperi (mA) la 1,25 MHz și o tensiune de alimentare de 1,8 volți, la 14,5 mA la 81 MHz și o tensiune de alimentare de 3,3 volți. Pentru ASDDV și ASEDV, curentul maxim variază de la 1,0 mA la 1 MHz și o tensiune de alimentare de 1,8 volți, la 19 mA la 157 MHz și o tensiune de alimentare de 3,3 volți.

Dispozitivele pot comanda mai multe sarcini și au performanțe bune în ceea ce privește interferențele electromagnetice (EMI), precum și fluctuații reduse. Acestea sunt specificate pentru o fluctuație de fază rms de <1,0 picosecunde (ps) și o fluctuație de perioadă de maxim 7,0 ps.

De asemenea, SPXO-urile oferă o bună stabilitate a frecvenței pe întreaga lor gamă de temperaturi de funcționare (Figura 5). În multe aplicații, aceste oscilatoare pot fi utilizate ca soluții directe, necesitând puține lucrări de proiectare. De asemenea, acestea elimină necesitatea de a selecta un oscilator specific pentru polarizare și elimină variațiile de frecvență dependente de polarizare.

Figura 5: aceste SPXO-uri au o bună stabilitate a frecvenței pe întreaga gamă de temperaturi de funcționare. Acest grafic pentru familia ASEDV este tipic. (Sursa imaginii: Abracon)

În final, atunci când șocurile și vibrațiile nu sunt considerente critice, oscilatoarele cu cristal de tensiune continuă ASADV, ASDVD și ASEDV, cu montare pe suprafață, pot fi utilizate pentru a oferi alternative mai puțin costisitoare la oscilatoarele sistemelor microelectromecanice (MEMS).

Concluzie

Proiectanții au nevoie de oscilatoare precise și fiabile pentru a asigura o sincronizare stabilă într-o gamă largă de aplicații și temperaturi de funcționare. Oscilatoarele discrete controlate cu cristale pot îndeplini caracteristicile de performanță necesare, dar proiectarea eficientă cu cristale poate fi dificilă din punct de vedere tehnic, durează mult timp, este inutil de costisitoare și este sub nivelul optim în ceea ce privește factorul de formă.

După cum s-a arătat, proiectanții pot folosi în schimb SPXO-uri integrate, de putere redusă, care formează soluții de sincronizare directe, cu o bună stabilitate a frecvenței pe o gamă largă de temperaturi de funcționare. Utilizând SPXO-uri, proiectanții pot reduce numărul de componente, pot micșora dimensiunea soluției, pot reduce costurile de asamblare și pot îmbunătăți fiabilitatea.

Lectură recomandată

Cum să selectați și să aplicați în mod eficient un oscilator