Forstå parametre for krystaloscillatorer for at optimere valg af komponenter

Kvartsbaserede krystaloscillatorer er kernekomponenten, der er ansvarlig for frekvens/timing nøjagtighed og ydeevne i næsten alle elektroniske kredsløb. Som sådan kræves det, at de er nøjagtige og præcise over tid. Naturligvis findes den "perfekte" oscillator kun i teorien, så problemet for designere er den rigtige oscillator, der opfylder designmålene. Dette er ikke en let opgave.

Når præstationskravene er blevet bestemt til applikationen, skal designere finde løsningen med den rette balance mellem ydeevne, pris, stabilitet, størrelse, effekt, fysisk struktur og drevfunktioner til det tilknyttede kredsløb. For at gøre det skal de forstå oscillatorens driftsprincipper, nøglekarakteristika og hvordan de har udviklet sig.

Denne artikel giver et overblik over det grundlæggende om krystaloscillator, inden vi ser på forskellige perspektiver relateret til højtydende krystaloscillatormoduler. Brug derefter repræsentative enheder fra ECS Inc., vil det kort gennemgå de grundlæggende i disse oscillatorer, inden de identificerer de øverste og andenklasses parametre sammen med nogle realistiske værdier for disse parametre. Det vil også vise, hvordan forskellige enheder matches til behovet for nogle typiske applikationer.

Hvordan krystaloscillatorer fungerer

Krystaloscillatorer giver clock til processorer, bit timing for datalinks, samplingtid til datakonvertering og masterfrekvensen i tunere og synthesizere. I forenklede termer fungerer kvartselementet i krystaloscillatoren som et ekstremt højt Q-resonanselement i feedback-netværket i et oscillatorkredsløb (figur 1). På grund af vigtigheden af krystaller og deres oscillatorer er kvartsmaterialets grundlæggende fysik såvel som dets elektriske og mekaniske ydeevne sammen med de forskellige oscillatorkredsløb blevet undersøgt og analyseret grundigt.

Figur 1: Anvendelse af den piezoelektriske effekt, en krystal fungerer som et high-Q, stabilt og præcist resonanselement i feedback-sløjfen i et oscillatorkredsløb. (Billedkilde: ECS Inc. International, modificeret)

I mange år ville brugerne specificere krystalfrekvensen og andre nøgleegenskaber og derefter give deres eget separate oscillatorkredsløb ved hjælp af vakuumrør (i de tidlige dage), derefter transistorer og endelig IC'er. Dette kredsløb var normalt en kombination af omhyggelig designanalyse samt noget “kunst” og erfaringsbaseret vurdering, da der var mange indbyrdes forbundne finesser. Designeren ville forsøge at afbalancere disse faktorer for at matche oscillatorens ydeevne med kvartskrystal "cut" og karakteristika samt applikationsprioriteter.

I dag er sådanne gør-det-selv (DIY) krystaloscillator designindsatser relativt sjældne, fordi det tager tid og kræfter at få det oprindelige design rigtigt. Så er der den nøjagtige måling af en oscillators ydeevne. Dette er komplekst og kræver præcisionsinstrumentering og en omhyggelig opsætning. I stedet for designere til mange applikationer kan de købe et lille, fuldt lukket modul, der inkluderer både kvartselementet såvel som oscillatorkredsløbet og dets outputdriver. Dette reducerer naturligvis designindsatsen og tiden, mens brugeren får en fuldt karakteriseret enhed og et datablad med garanterede specifikationer.

En note om terminologi: af historiske og andre grunde bruger ingeniører ofte ordet "krystal", når de virkelig taler om hele krystaloscillatorkredsløbet. Dette er normalt ikke et problem, da den tilsigtede betydning forstås ud fra sammenhængen. Imidlertid kan det nogle gange føre til forvirring, da det stadig er muligt at købe en krystal som en enkeltstående komponent og derefter give separat oscillatorkredsløb. Denne artikel bruger ordet "oscillator" for at henvise til krystallen plus dets oscillatorkredsløb som et selvstændigt modul snarere end kun oscillatorkredsløbet alene.

Karakteriserende krystaloscillatorer

Som med enhver komponent defineres krystaloscillatorens ydelse oprindeligt af et sæt top-tier-parametre. I deres generelle rækkefølge af betydning er:

Driftsfrekvens: Dette kan variere fra snesevis af kilohertz (kHz) til hundreder af megahertz (MHz). Oscillatorer til frekvenser over en oscillators grundlæggende rækkevidde, f.eks. I gigahertz (GHz) -området, bruger normalt en faselåsningssløjfe (PLL) som en frekvensmultiplikator for at opkonvertere den grundlæggende frekvens.

Frekvensstabilitet: Dette er den anden vigtige ydeevne faktor for oscillatorer. Den definerer afvigelsen af udgangsfrekvensen fra dens oprindelige værdi på grund af eksterne forhold, og jo mindre dette tal, jo bedre.

Der er mange eksterne forhold, der påvirker stabiliteten, og mange leverandører kalder dem individuelt, så designeren kan vurdere den faktiske indvirkning på applikationerne. Blandt disse faktorer er temperaturrelateret variation med hensyn til nominel frekvens ved 25 °C; andre faktorer inkluderer langsigtet stabilitet på grund af ældning såvel som effekter af lodning, forsyningsspændingsvariationer og ændringer i outputbelastningen. For højtydende enheder er det normalt karakteriseret i dele pr. Million (ppm) eller dele pr. Milliard (ppb) med hensyn til den nominelle udgangsfrekvens.

Fase støj og jitter: Dette er to perspektiver på den samme generelle præstationsklasse. Fasestøj karakteriserer clock-støj i frekvensdomænet, mens jitter gør det i tidsdomænet (figur 2).

Figur 2: Jitter i tidsdomænet og fasestøj i frekvensdomænet er to lige så gyldige fortolkninger af de samme ufuldkommenheder. Den foretrukne visning er en funktion af applikationen. (Billedkilde: ECS Inc. International)

Afhængigt af applikationen vil designeren fokusere på fejl primært som defineret i det ene domæne eller det andet. Fase-støj defineres normalt som forholdet mellem støj i en 1 Hertz (Hz) båndbredde ved en specificeret frekvensforskydning, f_m, til oscillatorsignalamplitude ved frekvens f_O. Fase-støj nedbryder nøjagtighed, opløsning og signal-støj-forholdet (SNR) i frekvenssynthesizere (figur 3), mens jitter forårsager timingfejl og dermed bidrager til øget bitfejlrate (BER) i datalinks.

Figur 3: Fasestøj spreder oscillatorens effektspektrum og har en skadelig virkning på opløsning og SNR. (Billedkilde: ECS Inc. International)

Timing jitter forårsager sampling-time fejl i analoge/digitale konverteringer og påvirker således også SNR og efterfølgende hurtig Fourier transform (FFT) frekvensanalyse.

Enheder i MultiVolt-familien af standardoscillatorer (MV) fra ECS Inc. fås med stabiliteter så lave som ±20 ppm, mens deres tætte stabilitetsoscillatorer (SMV) tilbyder stabiliteter ned til ±5 sider/min. For endnu strammere stabilitet, MultiVolt TCXO'er tilbyde ±2,5 ppm ydeevne med HCMOS-udgange og ±0,5 ppm til afskårne sinusbølgeudgange (både TCXO'er og afskårne sinusbølger forklares nærmere nedenfor).

Uanset domæne er fasestøj/jitter en vigtig faktor for højtydende design og skal tages i betragtning i fejlbudgettet, mens applikationens behov tages i betragtning. Bemærk, at der er mange typer jitter, herunder absolut jitter, cyklus til cyklus jitter, integreret fase jitter, langvarig jitter og period jitter; for fasestøj er der også forskellige integrationsområder og typer, herunder hvid støj og forskellige støj “farver”.

At forstå det specifikke ved både jitter og fasestøj ved oscillatoren og effekten i applikationen kan ofte være en udfordring. Det er vanskeligt at konvertere en specifikation fra et domæne til et andet; i stedet skal brugerne se databladet. Det er også vigtigt at forstå de legitime, men alligevel forskellige leverandørdefinitioner, der kvantificerer ydeevne, når der tages højde for disse fejl i det samlede fejlbudget.

Udgangssignaltype og drev: Disse skal matches med den tilsluttede belastning (figur 4). De to udgangsdrevstopologier er single-ended og differentielle.

Figur 4: Forskellige outputformater er tilgængelige og skal være kompatible med oscillatorbelastningskonfigurationen. (Billedkilde: ECS Inc. International)

Enkel-oscillatorer er lettere at implementere, men har større følsomhed over for støj og passer typisk kun op til flere hundrede megahertz. Blandt de single-ended outputtyper er:

• TTL (transistor-til-transistorlogik): 0,4 til 2,4 volt (sjældent brugt nu)
• CMOS (komplementær metaloxid halvleder): 0,5 til 4,5 volt
• HCMOS (højhastigheds CMOS): 0,5 til 4,5 volt
• LVCMOS (CMOS med lav spænding): 0,5 til 4,5 volt

Differentialudgange er sværere at designe, men giver bedre ydeevne i højfrekvente applikationer, da enhver støj, der er fælles for differentieringssporene, annulleres. Dette hjælper med at opretholde oscillatorens ydeevne set ved belastningskredsløbet. Differentielle signaltyper er:

• PECL (positiv emitterkoblet logik): 3,3 til 4,0 volt
• LVPECL (lavspændings PECL); 1,7 til 2,4 volt
• CML (strømtilstandslogik): 0,4 til 1,2 volt og 2,6 til 3,3 volt
• LVDS (lavspændingsdifferentialsignalering): 1,0 til 1,4 volt
• HCSL (højhastighedsstrømstyringslogik): 0,0 til 0,75 volt

Valget af signaltype bestemmes af applikationsprioriteterne og tilhørende kredsløb.

Oscillatorudgangsbølgeformen kan være en klassisk sinusbølge med en frekvens eller en afskåret sinusbølge (figur 5). Den analoge bølge er den “reneste” og mindst udsat for jitter/fasestøj i forhold til at bruge et komparatorkredsløb til at omdanne det til en firkantbølge, da det tilføjer jitter/fasestøj og nedbryder det. Den afskårne sinusbølge skaber et firkantet bølgelignende output, der er kompatibelt med digitale belastninger uden at ofre noget af ydeevnen.

Figur 5: Den afskårne sinusbølge tilnærmer en firkantet bølge, mens den minimerer yderligere jitter eller fasestøj. (Billedkilde: ECS Inc. International)

Forsyningsspænding og strøm: Disse er begge faldet for at imødekomme behovene i nutidens lavere spændingssystemer og ofte batteridrevne systemer. De fleste MultiVolt-serieoscillatorer kan fungere med forsyningsspændinger på 1,8 volt, 2,5 volt, 3,0 volt og 3,3 volt.

Pakke størrelse: Ligesom med driftsspænding og strøm er oscillatorpakker også blevet mindre. Industrien har nogle standardiserede størrelser til enheder med en ende (som kun har brug for fire tilslutninger), mens differentiale oscillatorer har seks kontakter og bruger de større pakker med dimensioner angivet her i millimeter (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

Det handler stort set om temperatur

Temperaturen er den største eksterne faktor, der påvirker og skifter oscillatorens ydeevne. Selvom oscillatorens driftseffekt er lav og således selvopvarmning næsten er ubetydelig, påvirker den omgivende temperatur driftsfrekvensen, da disse ændringer påvirker kvartskrystalets mekaniske dimensioner og spændinger. Det er vigtigt at kontrollere den valgte oscillators ydeevne ved yderpunkterne for de forventede intervaller. Disse intervaller er almindeligt beskrevet som:

• Kommerciel, bilkvalitet 4: 0 til +70 °C
• Udvidet kommerciel: −20 til +70 °C
• Industrial, Automotive Grade 3: −40 til +85 °C
• Udvidet industri, bilkvalitet 2: −40 til +105 °C
• Automotive klasse 1: −40 til +125 °C
• Militær: −55 til +125 °C
• Automotive Grade 0: −40 til +150 °C

For nogle designs er det ikke kun ydeevne over temperatur, der er en overvejelse, men også behovet for at opfylde andre pålidelighedsspecifikationer. Det ECS-2016MVQ er for eksempel en miniatureformet MultiVolt HCMOS-outputoscillator til 1,7 til 3,6 volt drift (figur 6). 2016 (2,0 mm × 1,6 mm, pr. ovenfor) keramiske pakke måler 0,85 mm høj, er målrettet mod hårdere industrielle applikationer og er AEC-Q200-kvalificeret (bil) til temperaturkrav i klasse 1. Den fås til frekvenser fra 1,5 til 54 MHz i fire grader af frekvensstabilitet, fra ±20 ppm til ±100 ppm over -40 °C til +85 °C; fase jitter er meget lav på kun 1 picosekund (ps) målt fra 12 kHz til 5 MHz.

Figur 6: ECS-2016MVQ er tilgængelig for frekvenser fra 1,5 til 54 MHz og i fire kvaliteter af stabilitet fra ± 20 ppm til ± 100 ppm. (Billedkilde: ECS Inc. International)

Til applikationer, hvor drift over driftsområdet er uacceptabelt højt, er to avancerede oscillatorimplementeringer tilgængelige: den temperaturkompenserede krystaloscillator (TCXO) og den ovnstyrede krystaloscillator (OCXO). (Bemærk, at XTAL er betegnelsen for krystal på mange skemaer, og "X" bruges som en forkortelse for det i akronymet.) En TCXO bruger et aktivt kredsløb til at kompensere for ændringen i udgangsfrekvens på grund af temperaturvariation. I modsætning hertil placeres krystaloscillatoren i OCXO i en termisk isoleret ovn, der opvarmes og holdes ved en konstant temperatur over den maksimale omgivelsestemperatur (en ovn, der kun er til opvarmning, kan ikke afkøles til under den omgivende temperatur).

TCXO'er kræver yderligere kredsløb sammenlignet med en grundlæggende oscillator, men langt mindre strøm end OCXO med ovnen, som typisk kræver flere watt. Derudover er TCXO kun lidt større end en ukompenseret enhed og er meget mindre end en OCXO. En TCXO vil typisk vise en forbedring i drift mellem 10 og 40 gange den for en ukompenseret enhed, mens en OXCO kan vise driftydelse, der er to størrelsesforbedringer i sammenligning, men med en betydelig straf i størrelse og effekt.

DetECS-TXO-32CSMV er en klippet sinusbølge-overflademonteret TCXO med MultiVolt-kapacitet (1,7 til 3,465 volt forsyning) til frekvenser mellem 10 og 52 MHz (figur 7). Den 3,2 × 2,5 × 1,2 mm høje keramiske pakke er velegnet til bærbare og trådløse applikationer, hvor stabilitet er kritisk. Nøglespecifikationerne viser dens ekstremt høje stabilitet i forhold til temperatur, forsyningsændring, belastningsændring og aldring sammen med dens beskedne strømbehov på under 2 mA (tabel 1).

Figur 7: ECS-TXO-32CSMV er en klippet sinusbølge-udgangskrystaloscillator, der inkorporerer intern kompensationskredsløb for i høj grad at forbedre stabilitetsydelsen. (Billedkilde: ECS Inc. International)

Tabel 1: Specifikationerne for den temperaturkompenserede ECS-TXO-32CSMV TXCO viser, hvordan dens interne kompensation forbedrer stabilitetsydelsen på trods af et sæt eksterne forstyrrelser. (Billedkilde: ECS Inc. International)

Drift med lav effekt: Ofte en prioritet

På trods af tendenser mod stadig højere frekvens processorure og datahastigheder er der stadig et stort behov for krystaloscillatorer med lavere frekvens til timing i ekstreme applikationer med lav effekt. For eksempel ECS-327MVATX er en miniatureformet oscillator, der fungerer ved en fast frekvens på 32,768 kHz med MultiVolt-kapacitet (1,6 til 3,6 volt). Med det nuværende krav på kun 200 mikroampere (µA) og CMOS-output med en ende, er det en god pasform til realtidsur (RTC), IoT-applikationer (low-power/portable, industrial og Internet of Things). Det tilbydes i 2016 til 7050 pakningsstørrelser med frekvensstabilitet fra stramme ±20 ppm til noget løsere ±100 ppm over temperaturområdet -40 °C til +85 °C, afhængigt af model.

For at minimere det gennemsnitlige strømforbrug tilbyder mange oscillatorer også en aktiverings-/deaktiveringsfunktion. For eksempel ECS-5032MV er en 125 MHz overflademonteret oscillator med MultiVolt-driftskapacitet fra 1,6 til 3,6 volt og CMOS-output, der tilbydes i en 5032 keramisk pakke (figur 8).

Figur 8: ECS-5032MV er en 125 MHz overflademonteret oscillator med en aktiverings- / deaktiveringsfunktion, der kan hjælpe med at spare strøm. (Billedkilde: ECS Inc. International)

En af dens fire kontakter gør det muligt at sætte oscillatoren i standby-tilstand, hvilket reducerer den krævede strøm fra den 35 mA aktive værdi til kun 10 mikroampere (µA) standbystrøm. Opstartstid er 5 millisekunder (ms) efter genaktivering af enheden.

Matchende specifikationer til applikationen

Beslutningen om en passende krystaloscillator til en applikation er som forventet en balance mellem specifikationer, prioriteter, omkostninger og deres relative vægtning. Det er mere end den åbenlyse overvejelse at vælge en enhed med den krævede nominelle frekvens, frekvensstabilitet, jitter/fasestøj og andre egenskaber som en enkeltstående oscillator. Brugere skal også sikre, at oscillatorens outputdrev er kompatibelt med den tilknyttede belastning og system, så parringen ikke forringer ydeevnen. Selvom der er mange sådanne overvejelser, er der nogle generelle retningslinjer:

• En LVDS-udgang kræver kun en enkelt modstand ved modtageren, mens LVPECL kræver afslutning på både sender og modtager.
• LVDS, LVPECL og HCSL har hurtigere overgange end CMOS, men vil kræve mere strøm og er bedst egnet til højfrekvente designs.
• For det laveste strømforbrug over 150 MHz er CMOS eller LVDS de bedste valg.
• LVPECL, LVDS og derefter CMOS tilbyder den bedste jitter-ydeevne ved lavere frekvenser.

Konklusion

Kvartskrystaloscillatoren er kernen i mange kredsløb og systemer. For at sikre, at udførelsen af denne funktion svarer til applikationskravene, kræves der omhyggelig afvejning mellem nøgleparametre, begyndende med nominel frekvensnøjagtighed, stabilitet versus temperatur og andre faktorer såsom jitter og fasestøj. Det kræver også at matche oscillatorens outputdrevformat til belastningskredsløbets egenskaber. Krystaloscillatorer i ECS MultiVolt-familierne tilbyder overlegen ydeevne med kombinationer af specifikationer i komplette, brugervenlige moduler.