RON | EUR | USD

Înțelegerea parametrilor oscilatorului cu cristal în vederea optimizării selecției componentelor

By Bill Schweber

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Oscilatoarele cu cristal pe bază de cuarț sunt componenta de bază responsabilă pentru performanța și precizia frecvenței/sincronizării în aproape toate circuitele electronice. Ca atare, acestea trebuie să fie exacte și precise de-a lungul timpului. Desigur, oscilatorul „perfect” există doar în teorie, astfel încât problema întâmpinată de designeri este găsirea oscilatorului potrivit care să îndeplinească obiectivele proiectării. Aceasta nu este o sarcină ușoară.

După ce au determinat care sunt cerințele legate de performanță pentru respectiva aplicație, proiectanții trebuie să găsească soluția care oferă echilibrul corect dintre performanță, cost, stabilitate, dimensiune, putere, structură fizică și capacitățile de acționare pentru circuitele asociate. Pentru a face acest lucru, aceștia trebuie să înțeleagă principiile de funcționare a oscilatoarelor, caracteristicile lor cheie și modul în care au evoluat.

Acest articol oferă o prezentare generală a elementelor de bază ale oscilatoarelor cu cristal înainte de a trece la analiza diferitelor perspective legate de modulele oscilatoarelor cu cristal de înaltă performanță. Apoi, utilizând dispozitive reprezentative de la ECS Inc., articolul face o scurtă analiză a elementelor de bază ale acestor oscilatoare înainte de a identifica parametrii de nivel superior și de nivel secundar, alături de câteva valori realiste pentru acești parametri. De asemenea, arată modul în care se adaptează diferite unități cerințelor unor aplicații tipice.

Cum funcționează oscilatoarele cu cristal

Oscilatoarele cu cristal produc bătăile ceasurilor procesoarelor, asigură sincronizarea biților pentru legăturile de date, timpul de eșantionare pentru conversiile de date și frecvența de referință în tunere și sintetizatoare. În termeni simpli, elementul de cuarț al oscilatorului cu cristal acționează ca un element rezonant de o calitate extrem de ridicată în cadrul rețelei de feedback a unui circuit oscilator (Figura 1). Datorită importanței cristalelor și oscilatoarelor asociate acestora, au fost cercetate și analizate pe larg principiile fundamentale ale fizicii materialului de cuarț, precum și performanțele electrice și mecanice ale acestuia, alături de diferitele circuite oscilatoare.

Diagrama cristalului funcționează ca un element rezonant de înaltă calitate, stabil și precisFigura 1: Utilizând efectul piezoelectric, un cristal funcționează ca un element rezonant de înaltă calitate, stabil și precis în bucla de feedback a unui circuit oscilator. (Sursă imagine: ECS Inc. International, modificată)

Timp de mulți ani, utilizatorii specificau frecvența cristalului și alte caracteristici cheie, apoi furnizau propriul lor circuit oscilator separat utilizând tuburi de vid (în perioada de început), apoi tranzistoare și, în final, circuite integrate. De obicei, acest circuit era o combinație dintre analiza atentă a designului și puțină „artă” și raționamentul bazat pe experiență, având în vedere faptul că au existat multe subtilități interdependente de-a lungul timpului. Proiectantul încerca să echilibreze acești factori pentru a adapta performanța oscilatorului la „forma” și caracteristicile cristalului de cuarț, precum și la prioritățile aplicației.

În zilele noastre, astfel de eforturi de proiectare a oscilatorului cu cristal de tipul „do-it-yourself” (DIY) sunt relativ rare, căci este nevoie de timp și de efort pentru a se obține designul corect din prima încercare. Apoi, există măsurătoarea exactă a performanței unui oscilator. Aceasta este complexă și necesită instrumente de precizie și o configurare atentă. În schimb, pentru multe aplicații, proiectanții pot achiziționa un modul mic, complet capsulat, ce include atât elementul de cuarț, cât și circuitul oscilator și unitatea sa de acționare de ieșire. Acesta reduce, în mod evident, efortul și timpul de proiectare, în timp ce utilizatorul primește o unitate complet caracterizată și o fișă tehnică cu specificații garantate.

O notă despre terminologie: din motive istorice și din alte motive, inginerii folosesc adesea cuvântul „cristal” atunci când, în realitate, vorbesc despre întregul circuit oscilator cu cristal. În mod normal, aceasta nu este o problemă, căci sensul avut în vedere se subînțelege din context. Totuși, uneori acest lucru poate crea confuzie, deoarece, încă este posibilă achiziționarea unui cristal ca o componentă independentă și apoi furnizarea de circuite oscilatoare separate. Acest articol folosește cuvântul „oscilator” pentru a se referi la cristal plus circuitul său oscilator ca la un modul autonom, mai degrabă decât doar ca la un circuit oscilator.

Caracterizarea oscilatoarelor cu cristal

Ca în cazul oricărei componente, performanța oscilatorului cu cristal este definită, inițial, de un set de parametri de nivel superior. În ordinea generală a importanței, acestea sunt:

Frecvența de operare: aceasta poate varia de la zeci de kilohertzi (kHz) la sute de megahertzi (MHz). Oscilatoarele pentru frecvențe care depășesc frecvențele de bază acoperite de un oscilator, cum ar fi în intervalul gigahertzilor (GHz), utilizează, de obicei, o buclă închisă de fază (PLL) ca multiplicator de frecvență pentru a converti calitatea frecvenței fundamentale într-o calitate mai bună.

Stabilitatea frecvenței: acesta este al doilea factor cheie de performanță pentru oscilatoare. Aceasta definește abaterea frecvenței de ieșire de la valoarea inițială din cauza condițiilor externe și, deci, cu cât acest număr este mai mic, este cu atât mai bine.

Există multe condiții externe care afectează stabilitatea și mulți furnizori le apelează individual, astfel încât proiectantul să poată evalua impactul lor real în cadrul aplicațiilor. Printre acești factori se numără variațiile legate de temperatură cu privire la frecvența nominală la 25⁰C; alți factori includ stabilitatea pe termen lung din cauza învechirii, precum și a efectele proceselor de lipire, variațiile tensiunii de alimentare și modificările sarcinii de ieșire. Pentru unitățile de înaltă performanță, aceasta este caracterizată de obicei în părți per milion (ppm) sau părți per miliard (ppb), în raport de frecvența nominală de ieșire.

Zgomotul de fază și fluctuațiile fazei: acestea sunt două perspective asupra aceleiași clase generale de performanță. Zgomotul de fază caracterizează zgomotul ceasului în domeniul frecvenței, în timp ce fluctuațiile fazei fac acest lucru în domeniul temporal (Figura 2).

Diagrama fluctuațiilor fazei în domeniul temporal și zgomotul de fază în domeniul frecvenței (faceți clic pentru a mări imaginea)Figura 2: Fluctuațiile fazei în domeniul temporal și zgomotul de fază în domeniul frecvenței sunt două interpretări la fel de valide ale acelorași imperfecțiuni. Vizualizarea preferată este o funcție a aplicației. (Sursă imagine: ECS Inc. International)

În funcție de aplicație, proiectantul se va concentra în principal asupra erorilor, așa cum sunt acestea definite într-un domeniu sau în celălalt. De obicei, zgomotul de fază este definit ca raportul zgomotului pe o lățime de bandă de 1 hertz (Hz) la un decalaj de frecvență specificat, fm, la amplitudinea semnalului oscilatorului la frecvența fO. Zgomotul de fază degradează acuratețea, rezoluția și raportul semnal-zgomot (SNR) în sintetizatoarele de frecvență (Figura 3), în timp ce fluctuațiile fazei provoacă erori de sincronizare și, astfel, contribuie la creșterea ratei erorilor de biți (BER) în legăturile de date.

Graficul zgomotului de fază, care împrăștie spectrul de putere al oscilatoruluiFigura 3: Zgomotul de fază împrăștie spectrul de putere al oscilatorului și are un efect dăunător asupra rezoluției și SNR. (Sursă imagine: ECS Inc. International)

Fluctuațiile de sincronizare cauzează erori ale timpului de eșantionare pentru conversiile analogice/digitale și, prin urmare, afectează și SNR și analiza ulterioară a frecvenței transformatei Fourier rapide (FFT).

Dispozitivele din familia MultiVolt de oscilatoare standard (MV) de la ECS Inc. sunt disponibile cu stabilități de doar ±20 ppm, în timp ce oscilatoarele lor cu stabilitate strictă (SMV) oferă stabilități de până la ±5 ppm. Pentru o stabilitate și mai strictă, TCXO-urile MultiVolt oferă performanțe de ±2,5 ppm pentru ieșirile HCMOS și de ±0,5 ppm pentru ieșirile cu undă sinusoidală tăiată (atât TCXO-urile, cât și undele sinusoidale tăiate sunt explicate mai jos).

Indiferent de domeniu, zgomotul de fază/fluctuațiile fazei constituie un factor important pentru proiectele de înaltă performanță și trebuie luat în considerare în bugetul erorilor, ținând cont, în același timp, de nevoile aplicației. Rețineți că există multe tipuri de fluctuații, inclusiv fluctuațiile absolute, fluctuațiile de la ciclu la ciclu, fluctuațiile fazei integrate, fluctuațiile pe termen lung și fluctuațiile de perioadă; pentru zgomotul de fază există și intervale și tipuri diferite de integrare, inclusiv zgomotul alb și zgomot de diverse „culori”.

Adesea, înțelegerea specificului fluctuațiilor și al zgomotului de fază la oscilator, precum și a impactului asupra aplicației poate reprezenta o provocare. Convertirea unei specificații de la un domeniu la altul este dificilă; în schimb, utilizatorii trebuie să analizeze fișa tehnică. De asemenea, este importantă înțelegerea definițiilor legitime, dar diferite, ale furnizorilor, care cuantifică performanța atunci când aceste erori sunt luate în considerare în bugetul global al erorilor.

Tipul semnalului de ieșire și comanda: acestea trebuie să corespundă sarcinii conectate (Figura 4). Cele două topologii ale unității de acționare de ieșire sunt cu un singur capăt și diferențiale.

Sunt disponibile diagrame cu diferite formate de ieșire și trebuie să fie compatibileFigura 4: Sunt disponibile diferite formate de ieșire și trebuie să fie compatibile cu configurația sarcinii oscilatorului. (Sursă imagine: ECS Inc. International)

Oscilatoarele cu un singur capăt sunt mai ușor de implementat, dar sunt mai sensibile la zgomot și, de obicei, sunt mai potrivite pentru frecvențe de câteva sute de megahertzi. Printre tipurile de ieșire cu un singur capăt se numără:

  • TTL (Logica tranzistor-tranzistor): între 0,4 și 2,4 volți (se utilizează rar în prezent)
  • CMOS (Semiconductorul metal-oxid complementar ): între 0,5 și 4,5 volți
  • HCMOS (CMOS de mare viteză): între 0,5 și 4,5 volți
  • LVCMOS (CMOS de joasă tensiune): între 0,5 și 4,5 volți

Ieșirile diferențiale sunt mai dificil de proiectat, dar oferă performanțe mai bune în aplicațiile de înaltă frecvență, deoarece orice zgomot comun pistelor diferențiale este anulat. Acest lucru ajută la menținerea performanței oscilatorului, după cum indică circuitul de sarcină. Tipurile de semnal diferențial sunt:

  • PECL (Logica cuplată cu emițător pozitiv):            între 3,3 și 4,0 volți
  • LVPECL (PECL de joasă tensiune);                            între 1,7 și 2,4 volți
  • CML (Logica în modul curent):                             între 0,4 și 1,2 volți și între 2,6 și 3,3 volți
  • LVDS (Semnalizare diferențială de joasă tensiune):     între 1,0 și 1,4 volți
  • HCSL (Logica de direcție a curentului de mare viteză):      între 0,0 și 0,75 volți

Alegerea tipului de semnal este determinată de prioritățile aplicației și de circuitele asociate.

Forma de undă de ieșire a oscilatorului poate fi o undă sinusoidală clasică cu o singură frecvență sau o undă sinusoidală tăiată (Figura 5). Unda analogică este cea mai „curată” și cel mai puțin supusă zgomotului de fază/fluctuațiilor fazei, versus utilizarea unui circuit de comparare care să o transforme într-o undă pătrată, întrucât acest lucru adaugă zgomot de fază/fluctuații ale fazei și, astfel, o degradează. Unda sinusoidală tăiată creează o ieșire asemănătoare undelor pătrate, compatibilă cu sarcinile digitale și fără sacrificarea niciunei performanțe.

Diagrama undei sinusoidale tăiate aproximează o undă pătratăFigura 5: Unda sinusoidală tăiată aproximează o undă pătrată în timp ce minimizează orice zgomot de fază suplimentar/fluctuație suplimentară a fazei. (Sursă imagine: ECS Inc. International)

Tensiunea și curentul de alimentare: ambele au scăzut pentru a satisface nevoile sistemelor de tensiune mai joasă din ziua de astăzi și a sistemelor care, adesea, sunt alimentate cu baterii. Majoritatea oscilatoarelor din seria MultiVolt pot funcționa cu tensiuni de alimentare de 1,8 volți, 2,5 volți, 3,0 volți și 3,3 volți.

Dimensiunea pachetului: așa cum s-a întâmplat și în cazul tensiunii și curentului de funcționare, pachetele oscilatoarelor au devenit mai mici. În industrie există câteva dimensiuni standardizate pentru dispozitivele cu un singur capăt (care necesită doar patru conexiuni), în timp ce oscilatoarele diferențiale au șase contacte și utilizează pachete mai mari, cu dimensiunile exprimate aici în milimetri (mm):

1612: 1,6 mm × 1,2 mm

2016: 2,0 mm × 1,6 mm

2520: 2,5 mm × 2,0 mm

3225: 3,2 mm × 2,5 mm

5032: 5,0 mm × 3,2 mm

7050: 7,0 mm × 5,0 mm

Este vorba, în mare măsură, de temperatură

Cel mai important factor extern care afectează și modifică performanța oscilatorului este temperatura. Chiar dacă puterea de funcționare a oscilatorului este redusă și, prin urmare, autoîncălzirea este aproape neglijabilă, temperatura ambiantă are impact asupra frecvenței de funcționare, aceste modificări afectând dimensiunile mecanice și tensiunile cristalului de cuarț. Este important să verificați performanța oscilatorului selectat la valorile extreme ale intervalelor preconizate. De obicei, aceste intervale sunt descrise după cum urmează:

  • Comercial, clasa 4 auto:                   între 0 și +70°C
  • Comercial extins:                                 între −20 și +70°C
  • Industrial, clasa 3 auto:                     între −40 și +85°C
  • Industrie extinsă, clasa 2 auto:     între −40 și +105°C
  • Clasa 1 auto:                                      între −40 și +125°C
  • Militar:                                                          între −55 și +125°C
  • Clasa 0 auto:                                      între −40 și +150°C

Pentru anumite modele, nu trebuie luată în considerație doar performanța în ceea ce privește temperatura, ci și necesitatea de a îndeplini și alte specificații de fiabilitate. De exemplu, ECS-2016MVQ este un oscilator miniatural, cu montare pe suprafețe, cu ieșire MultiVolt HCMOS pentru funcționare între 1,7 și 3,6 volți (Figura 6). Pachetul ceramic 2016 (2,0 mm × 1,6 mm, conform specificațiilor de mai sus) măsoară 0,85 mm înălțime, vizează aplicații industriale mai dure și este calificat AEC-Q200 (auto) pentru cerințele de temperatură de clasa 1. Este disponibil pentru frecvențe cuprinse între 1,5 și 54 MHz în patru grade de stabilitate a frecvenței, de la ±20 ppm la ±100 ppm, acoperind un interval de temperatură cuprins între -40°C și +85°C; fluctuația suplimentară a fazei este foarte scăzută, fiind de doar 1 picosecundă (ps), măsurată în intervalul de la 12 kHz la 5 MHz.

Imagine a ECS ECS-2016MVQ este disponibil pentru frecvențe cuprinse între 1,5 și 54 MHzFigura 6: ECS-2016MVQ este disponibil pentru frecvențe cuprinse între 1,5 și 54 MHz și în patru grade de stabilitate a frecvenței, de la ±20 ppm la ±100 ppm. (Sursă imagine: ECS Inc. International)

Pentru aplicațiile în care abaterea din domeniul de operare este inacceptabil de mare, sunt disponibile două implementări avansate ale oscilatoarelor: oscilatorul cu cristal cu compensare a temperaturii (TCXO) și oscilatorul cu cristal controlat la cuptor (OCXO). (Rețineți că XTAL este desemnarea termenului cristal în multe scheme, iar „X” este utilizat ca abreviere a acestuia în acronim.) Un TCXO utilizează un circuit activ pentru a compensa schimbarea frecvenței de ieșire datorită variației temperaturii. În schimb, în OCXO, oscilatorul cu cristal este plasat într-un cuptor izolat termic, care este încălzit și menținut la o temperatură constantă peste temperatura ambiantă maximă (un cuptor numai pentru încălzire nu se poate răci sub nivelul temperaturii ambiante).

TCXO-urile necesită circuite suplimentare în comparație cu un oscilator de bază, dar cu mult mai puțină putere decât OCXO și cuptorul său, care necesită, de obicei, mai mulți wați. În plus, TCXO este doar puțin mai mare decât o unitate necompensată și este mult mai mic decât un OCXO. Un TCXO va arăta de obicei o îmbunătățire a abaterii de între 10 și 40 de ori mai mare comparativ cu o unitate necompensată, în timp ce un OXCO poate prezenta o performanță a abaterii, ceea ce reprezintă o îmbunătățire de două ordine de mărime prin comparație, dar cu o penalizare semnificativă în ceea ce privește dimensiunea și puterea.

ECS-TXO-32CSMV este un TCXO cu montare pe suprafețe, cu undă sinusoidală tăiată, cu capacitate MultiVolt (alimentare de la 1,7 până la 3,465 volți), pentru frecvențe între 10 și 52 MHz (Figura 7). Pachetul ceramic de 3,2 × 2,5 × 1,2 mm înălțime este adecvat pentru aplicațiile portabile și wireless, unde stabilitatea este esențială. Specificațiile cheie arată stabilitatea extrem de ridicată versus temperatură, modificarea alimentării, modificarea sarcinii și învechire, împreună cu cerința sa modestă de curent, de sub 2 mA (Tabelul 1).

Imaginea ECS ECS-TXO-32CSMV este un oscilator cu cristal cu ieșire de undă sinusoidală tăiatăFigura 7: ECS-TXO-32CSMV este un oscilator cu cristal cu ieșire de undă sinusoidală tăiată, care încorporează un circuit de compensare internă pentru a îmbunătăți foarte mult performanța din punct de vedere al stabilității. (Sursă imagine: ECS Inc. International)

Tabelul cu specificații pentru TCXO-ul ECS ECS-TXO-32CSMV cu compensare a temperaturiiTabelul 1: Specificațiile pentru TCXO-ul ECS ECS-TXO-32CSMV cu compensarea temperaturii arată cum compensarea sa internă îmbunătățește performanța stabilității în ciuda unei serii de perturbații externe. (Sursă imagine: ECS Inc. International)

Funcționarea la joasă putere: adesea o prioritate

În ciuda tendințelor către ceasuri de procesoare și frecvențe de date din ce în ce mai mari, încă există o nevoie mare de oscilatoare cu cristale de frecvență mai mică pentru sincronizare în aplicațiile de joasă putere extreme. De exemplu, ECS-327MVATX este un oscilator miniatural, cu montare pe suprafețe, care funcționează la o frecvență fixă de 32,768 kHz cu capacitate MultiVolt (între 1,6 și 3,6 volți). Cu cerința sa actuală de doar 200 de microamperi (µA) și ieșirea CMOS cu un singur capăt, este mai adecvat pentru aplicațiile cu ceas în timp real (RTC), de joasă putere/portabile, industriale și pentru Internetul obiectelor (IoT). Acesta este oferit în dimensiuni ale pachetelor de la 2016 până la 7050, cu o stabilitate a frecvenței variind de la o valoare strictă de ±20 ppm la una oarecum mai relaxată de ±100 ppm în intervalul de temperatură de la -40⁰C până la +85⁰C, în funcție de model.

Pentru a minimiza consumul mediu de energie, multe oscilatoare oferă, în plus, o funcție de activare/dezactivare. De exemplu, ECS-5032MV este un oscilator cu montare pe suprafețe, de 125 MHz, cu capacitate de funcționare MultiVolt între 1,6 și 3,6 volți și ieșire CMOS, oferit într-un pachet ceramic 5032 (Figura 8).

Imagine ECS ECS-5032MV este un oscilator cu montare pe suprafețe, de 125 MHzFigura 8: ECS-5032MV este un oscilator cu montare pe suprafețe, de 125 MHz, cu funcție de activare/dezactivare ce poate ajuta la economisirea energiei. (Sursă imagine: ECS Inc. International)

Unul dintre cele patru contacte ale sale permite stabilirea oscilatorului în modul standby, reducând curentul necesar de la valoarea activă de 35 mA la doar 10 microamperi (µA) de curent în așteptare. Timpul de pornire este de 5 milisecunde (ms) după reactivarea unității.

Adaptarea specificațiilor pentru a corespunde aplicației

Decizia privind eligibilitatea unui oscilator cu cristal pentru o aplicație este, așa cum era de așteptat, un echilibru dintre specificații, priorități, costuri și ponderarea lor relativă. Este mai mult decât luarea în considerare evidentă a selectării unei unități cu frecvența nominală necesară, stabilitatea frecvenței, zgomotul de fază/fluctuațiile fazei și alte atribute ca oscilator independent. De asemenea, utilizatorii trebuie să se asigure că unitatea de acționare de ieșire a oscilatorului este compatibilă cu sarcina și sistemul asociat, astfel încât asocierea să nu degradeze performanța. Deși există multe astfel de considerații, există câteva orientări generale:

  • O ieșire LVDS necesită doar un singur rezistor la receptor, în timp ce LVPECL necesită terminație atât la emițător, cât și la receptor.
  • LVDS, LVPECL și HCSL au tranziții mai rapide decât CMOS, dar vor avea nevoie de mai multă energie și sunt cele mai potrivite pentru proiectele de înaltă frecvență.
  • Pentru cel mai mic consum de energie peste 150 MHz, CMOS sau LVDS sunt cele mai bune alegeri.
  • LVPECL, LVDS și apoi CMOS oferă cele mai bune performanțe în ceea ce privește fluctuațiile fazei la frecvențe mai mici.

Concluzie

Oscilatorul cu cristal de cuarț este un element central al multor circuite și sisteme. Asigurarea faptului că performanța acestei funcții corespunde cerințelor aplicației impune echilibrarea atentă a parametrilor cheie, începând cu precizia nominală a frecvenței, stabilitate versus temperatură și alți factori, cum ar fi fluctuațiile fazei și zgomotul de fază. De asemenea, necesită adaptarea formatului unității de acționare de ieșire a oscilatorului la caracteristicile circuitului de sarcină. Oscilatoarele cu cristal din familiile ECS MultiVolt oferă performanțe superioare cu combinații de specificații în module complete, ușor de utilizat.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Bill Schweber

Bill Schweber is an electronics engineer who has written three textbooks on electronic communications systems, as well as hundreds of technical articles, opinion columns, and product features. In past roles, he worked as a technical web-site manager for multiple topic-specific sites for EE Times, as well as both the Executive Editor and Analog Editor at EDN.

At Analog Devices, Inc. (a leading vendor of analog and mixed-signal ICs), Bill was in marketing communications (public relations); as a result, he has been on both sides of the technical PR function, presenting company products, stories, and messages to the media and also as the recipient of these.

Prior to the MarCom role at Analog, Bill was associate editor of their respected technical journal, and also worked in their product marketing and applications engineering groups. Before those roles, Bill was at Instron Corp., doing hands-on analog- and power-circuit design and systems integration for materials-testing machine controls.

He has an MSEE (Univ. of Mass) and BSEE (Columbia Univ.), is a Registered Professional Engineer, and holds an Advanced Class amateur radio license. Bill has also planned, written, and presented on-line courses on a variety of engineering topics, including MOSFET basics, ADC selection, and driving LEDs.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors