Hvordan man enkelt og omkostningseffektivt opfylder krav til tidtagning af kredsløb med lav effekt ved hjælp af SPXO'er

Kredsløbstiming er en kritisk funktion, der kræves af en lang række elektroniske enheder, herunder mikrocontrollere, USB-, Ethernet-, Wi-Fi- og Bluetooth-interface samt computerudstyr og perifer udstyr, medicinsk udstyr, test- og måleudstyr, industriel styring og automatisering, tingenes internet (IoT), wearables og forbrugerelektronik. Design af krystalstyrede oscillatorer til at levere systemtiming synes i første omgang at være en simpel øvelse, men designere skal tage hensyn til mange parametre og designkrav, når de skal matche et kvartskrystal til en oscillator-IC.

De mange overvejelser omfatter krystalmotionel impedans, resonanstilstand, niveau og negativ oscillator-modstand. I forbindelse med kredsløbslayoutet skal designeren tage højde for printkortets parasitære kapacitet, inddragelse af et beskyttelsesbånd omkring krystallet og den integrerede kapacitet på chippen. Det endelige design skal være kompakt og pålideligt med et minimalt antal komponenter, have lav rms-jitter (root mean square) og kunne fungere over et bredt spændingsområde med et minimalt strømforbrug.

En løsning er at bruge simple pakke-krystaloscillatorer (SPXO'er). Disse oscillatorer med kontinuerlig spænding er optimeret til lavt strømforbrug og lav rms-jitter samt drift ved enhver spænding mellem 1,60 og 3,60 volt og gør det muligt for designere at implementere løsninger, der kræver minimal designindsats ved integration i systemer.

Denne artikel vil kort diskutere nogle af de vigtige krav til ydeevne og designudfordringer, der skal opfyldes for at kunne designe timingkredsløb med diskrete kvartskrystaller og timing-IC'er. Derefter introduceres SPXO-løsninger fra Abracon og viser, hvordan designere kan bruge dem til effektivt at opfylde timing-behovene i elektroniske systemer.

Krystaloscillatorens drift og designudfordringer

Strømforbrug er en vigtig faktor i små, batteridrevne trådløse enheder. Mange af disse enheder er baseret på SoC-radioer og -processorer (system-on-chip) med meget lavt strømforbrug, som kan have batterilevetid på flere år. Det er også vigtigt at minimere batteriets størrelse for at kontrollere enhedens omkostninger, da batteriet kan være den dyreste komponent i systemet. Når det er sagt, er standby-strømmen ofte den vigtigste faktor for batterilevetiden i små trådløse systemer, og clock-oscillatoren dominerer ofte standby-strømmen. Derfor er det vigtigt at minimere oscillatorens strømforbrug.

Desværre kan det være en udfordring at designe oscillatorer med lav effekt. En måde at spare energi på er at minimere standby-strømmen ved at gå ind i en "deaktiveret" tilstand og starte oscillatoren efter behov. Krystaloscillatorer er imidlertid ikke lette at starte hurtigt og pålideligt op. Designere skal sørge for at sikre, at oscillatoren har et lavt strømforbrug under standby og har pålidelige opstartsegenskaber under alle drifts- og miljøforhold.

Pierce-oscillatorkonfigurationen anvendes ofte i trådløse SoC'er med lav effekt (figur 1). En Pierce-oscillator er bygget op omkring et krystal (X) og belastningskondensatorer (C₁ og C₂), der er omviklet med en inverterende forstærker med en intern tilbagekoblingsmodstand. Når forstærkerens udgang under de rette betingelser føres tilbage til indgangen, resulterer det i en negativ modstand, og der opstår svingninger.

Figur 1: Grundlæggende Pierce-oscillatorkonfiguration bygget op omkring et krystal (X) og belastningskondensatorer C₁ og C₂. (Billedkilde: Abracon)

Krystaller er komplekse strukturer; denne diskussion giver kun et forenklet overblik over deres funktion i oscillatorer.

Forstærkningsmargenen i lukket kredsløb, Gm, kan bruges som FOM (figure of merit) til at karakterisere pålideligheden af en oscillator i forhold til forskellige tab. Det kaldes også svingningstillæg (OA). En OA under 5 kan resultere i et lavt produktionsudbytte og temperaturrelaterede opstartsproblemer. Konstruktioner med en OA på 20 eller mere er robuste, giver pålidelig drift i hele det designede driftstemperaturområde og er ikke følsomme over for variationer i produktionspartierne med hensyn til krystal- og SoC-præstationsegenskaber.

For at måle en oscillators OA tilføjes der en variabel modstand R_a til kredsløbet (figur 2). Værdien af R_a øges, indtil oscillatoren ikke kan starte. Det er den værdi, der anvendes til at bestemme OA på følgende måde:

 Ligning 1

Hvor:

R_n er den negative modstand

R_e er den ækvivalente seriemodstand (ESR)

 Ligning 2

 Ligning 3

Hvor belastningskapacitansen, C_L, beregnes ved hjælp af:

 Ligning 4

Hvor Cs er kredsløbets vagrantkapacitet, normalt 3,0 til 5,0 picofarads (pF).

Figur 2: Pierce-oscillator med den udvidede krystalmodel (i kassen i midten) og den justerbare modstand (R_a) til måling af svingningstillæg. (Billedkilde: Abracon)

OA er afhængig af ESR (R_e), og ESR er afhængig af kvartskrystalparameteren R_m og belastningskapacitansen, C_L. Virkningen af R_m og C_L på OA øges for oscillatorer med lav effekt, som f.eks. dem, der anvendes i trådløse apparater med lav effekt. Det tager tid at måle OA og kan virke som om det forlænger udviklingsprocessen. Derfor kan den blive overset, hvilket kan medføre problemer med ydeevnen, når systemet eller enheden kommer i produktion.

Desuden kan en høj OA, for at sikre pålidelig oscillatordrift, medføre andre problemer. F.eks. vil en høj OA resultere i en høj oscillatorkredsløbsydelse, men strømtab på grund af krystallet kan overses. Disse tab kan være en væsentlig faktor. Hvis vi ser tilbage på figur 2, forårsager krystalbevægelsesmodstanden, R_m et strømforbrug, da strømmen går gennem modstanden. Strømmen og tabene øges, når C_L er større. Designere skal opnå en balance mellem effekttab i krystallet og en rimelig værdi for OA.

Undgå jitter

Når man designer kvartskrystaloscillatorer, er det vigtigt at forstå og minimere jitter. Der findes to typer jitter, som begge typisk måles som rms-værdier:

• Jitter fra cyklus til cyklus: Også kaldet fasejitter, er den maksimale tidsforskel mellem flere målte svingningsperioder, normalt målt over mindst 10 perioder.
• Periodisk jitter: Dette er den maksimale ændring af en klokkekant og måles i hver periode, men ikke i flere perioder.

De vigtigste kilder til jitter i kvartskrystaloscillatorer omfatter strømforsyningsstøj, heltalsharmoniske overtoner af signalfrekvensen, ukorrekte belastnings- og termineringsforhold, forstærkerstøj og visse kredsløbskonfigurationer. Afhængigt af kilden er der flere metoder, der kan anvendes til at minimere jitter:

• Brug af bypass-kondensatorer, chip beads eller RC-filtre (resistor-capacitor) til at kontrollere strømforsyningsstøj.
• I kritiske applikationer, der kræver meget lav jitter, er det vigtigt at etablere en metode til at kontrollere overtonerne (uden for denne artikels rækkevidde).
• Reducer den reflekterede effekt tilbage til udgangen ved at optimere belastningen og termineringsforholdene.
• Undgå at bruge design, der omfatter faselåste loops, multiplikatorer eller programmerbare funktioner, da de har tendens til at øge jitter.

Krystaloscillatorer med kontinuerlig spænding

Designere af systemer med en varierende systemforspænding mellem 1,60 og 3,60 volt kan med fordel bruge ASADV, ASDDV og ASEDV SPXO'erne fra Abracon (Figur 3). Disse SPXO-familier dækker forskellige frekvensområder; 1,25 megahertz (MHz) til 100 MHz for ASADV-enhederne og 1 MHz til 160 MHz for ASDDV- og ASEDV-enhederne. De er RoHS/RoHS II-kompatible og leveres i hermetisk forseglede keramiske SMD-pakker (Surface Mount Device). Deres frekvensstabilitet er ±25 ppm i hele driftstemperaturområdet fra -40 °C til +85 °C.

Figur 3: ASADV (vist), ASDDV og ASEDV SPXO'erne er pakket i hermetisk forseglede keramiske pakninger og kan fungere fra -40 °C til +85 °C. (Billedkilde: Abracon)

ASADV måler 2,0 x 1,6 x 0,8 mm, ASDDV måler 2,5 x 2,0 x 0,95 mm, og ASEDV måler 3,2 x 2,5 x 1,2 mm. Disse tre serier er tilgængelig med en række almindelige driftstemperaturområder, stabilitetsmuligheder og et CMOS/HCMOS/LVCMOS-kompatibelt outputformat.

Det er vigtigt, at ASADV-, ASDVD- og ASEDV-familierne er optimeret til drift med lav strømstyrke (figur 4). Funktionen til aktivering/deaktivering af udgangene reducerer strømmen til kun 10 μA, når den er deaktiveret. De har en maksimal opstartstid på 10 ms.

Figur 4: ASEDV's strømforbrug er vist i forhold til forsyningsspændingen, hvilket er typisk for denne familie af SPXO'er (målt ved 25 °C ±3 °C). (Billedkilde: Abracon)

Alle tre familier af SPXO'er har et særligt lavt strømforbrug. For ASADV varierer den maksimale strøm (målt i en 15 pF belastning ved 25 °C) fra 1,0 mA ved 1,25 MHz og en forsyningsspænding på 1,8 volt til 14,5 mA ved 81 MHz og en forsyningsspænding på 3,3 volt. For ASDDV og ASEDV varierer den maksimale strømstyrke fra 1,0 mA ved 1 MHz og en forsyningsspænding på 1,8 volt til 19 mA ved 157 MHz og en forsyningsspænding på 3,3 volt.

Enhederne kan drive flere belastninger og har gode EMI-egenskaber (elektromagnetisk interferens) og lav jitter. De er specificeret til en rms-fasejitter på <1,0 picosecond (ps) og en periodejitter på højst 7,0 ps.

SPXO'erne giver også en god frekvensstabilitet i hele deres driftstemperaturområde (figur 5). I mange applikationer kan disse oscillatorer anvendes som drop-in-løsninger, der kræver meget lidt designarbejde. De eliminerer også behovet for bias-specifik oscillatorvalg og fjerner bias-afhængige frekvensvariationer.

Figur 5: Disse SPXO'er har en god frekvensstabilitet over hele driftstemperaturområdet. Denne graf for ASEDV-familien er typisk. (Billedkilde: Abracon)

Endelig kan ASADV-, ASDVD- og ASEDV-krystaloscillatorer med kontinuerlig spænding, der er monteret på overfladen, anvendes som billigere alternativer til oscillatorer til mikroelektro mekaniske systemer (MEMS), når stød og vibrationer ikke er kritiske overvejelser.

Konklusion

Designere har brug for præcise og pålidelige oscillatorer til at levere stabil timing på tværs af en lang række applikationer og driftstemperaturer. Diskrete krystalstyrede oscillatorer kan opfylde de krævede præstationsegenskaber, men det kan være teknisk vanskeligt, tidskrævende, unødvendigt dyrt og ikke optimalt med hensyn til formfaktor at designe effektivt med krystaller.

Som vist, kan designere i stedet bruge integrerede SPXO'er med lavt strømforbrug, der udgør drop-in timing-løsninger med god frekvensstabilitet over et bredt driftstemperaturområde. Ved hjælp af SPXO'er kan designere reducere antallet af komponenter, mindske løsningsstørrelsen, reducere omkostningerne til montering og forbedre pålideligheden.

Anbefalet læsning

Sådan vælger og anvender du en oscillator effektivt