Vooluahela ajastus on kriitiline funktsioon, mida nõuavad paljud elektroonikaseadmed, sealhulgas mikrokontrollerid, USB, Ethernet, Wi{0}}Fi ja Bluetooth liidesed, aga ka arvutusseadmed ja välisseadmed, meditsiiniseadmed, testimis- ja mõõteseadmed, tööstuslik juhtimine ja automatiseerimine, asjade internet (IoT), kantavad seadmed ja tarbeelektroonika. Kuigi süsteemi ajastuse tagamiseks kristall-juhitava ostsillaatori projekteerimine võib alguses tunduda lihtne, peavad disainerid kvartskristalli ja ostsillaatori IC-ga sobitamisel arvestama paljude parameetrite ja konstruktsiooninõuetega.
Arvesse tuleb võtta mitmeid tegureid, sealhulgas kristallide liikumistakistus, resonantsrežiim, ajami võimsus ja ostsillaatori negatiivne takistus. Ahela paigutuse osas peavad disainerid arvestama PCB parasiitmahtuvust, lisama kristalli ümber kaitseriba ja lisama kiipkondensaatorid. Lõplik konstruktsioon peab olema kompaktne ja töökindel, minimaalsete komponentidega, madala ruutkeskmise (RMS) värinaga ja minimaalse energiatarbimisega laias sisendpinge vahemikus.
Üks lahendus on lihtne pakendatud kristallostsillaator (SPXO). Need pidevad pingeostsillaatorid on optimeeritud väikese energiatarbimise ja madala RMS-i värina jaoks ning võivad töötada mis tahes pingel vahemikus 1,60 V kuni 3,60 V, võimaldades disaineritel saavutada lahendus, mida saab süsteemi integreerida minimaalse projekteerimisjõuga.
Selles artiklis käsitletakse lühidalt mõningaid olulisi jõudlusnõudeid, mida tuleb täita, ja disainiprobleeme, mis tuleb ületada ajastusahelate kavandamisel, kasutades diskreetseid kvartskristalle ja ajastus-IC-sid. Seejärel tutvustatakse Abraconi SPXO lahendusi ja selgitatakse, kuidas disainerid saavad neid seadmeid kasutada elektrooniliste süsteemide ajastusnõuete tõhusaks täitmiseks.
Kristallostsillaatori töö ja disaini väljakutsed
Väikeste akutoitel{0}}traadita seadmete puhul on energiatarve kriitilise tähtsusega. Paljud sellised seadmed põhinevad ülimalt-madala võimsusega-kiibil-kiibil (SoC) raadiotel ja protsessoritel, mis toetavad mitu aastat kestvat aku kasutusaega. Lisaks, kuna aku on sageli süsteemi kõige kallim komponent, on selle suuruse minimeerimine seadme kulude kontrollimiseks ülioluline. Sellegipoolest on ooterežiimi vool väikestes traadita süsteemides sageli kõige kriitilisem aku kasutusaega ja ooterežiimi voolus domineerib sageli kella ostsillaator. Seetõttu on ülioluline minimeerida ostsillaatori voolutarve.
Kahjuks võib väikese{0}}võimsusega ostsillaatori kujundamine olla keeruline. Üks energiasäästumeetod on ootevoolu minimeerimine, sisenedes "keelatud" olekusse ja vajadusel käivitades ostsillaatori. Kristallostsillaatori kiire ja töökindel käivitumine pole aga lihtne ülesanne. Disainerid peavad tagama, et ostsillaator jääb ooterežiimi ajal madalale-vooluolekule ja sellel on usaldusväärsed käivitusomadused kõigis töö- ja keskkonnatingimustes.
Pierce'i ostsillaatori konfiguratsiooni leidub tavaliselt väikese{0}}võimsusega juhtmeta SoC-des (joonis 1). Pierce'i ostsillaator on konstrueeritud kasutades kristalli (X) ja koormuskondensaatoreid (C1 ja C2), mis on ümbritsetud sisemise tagasisidetakistiga inverteeriva võimendiga. Sobivates tingimustes, kui võimendi väljund suunatakse tagasi sisendisse, tekib negatiivne takistus, mis põhjustab võnkumist.
Joonis 1: Pierce'i ostsillaatori põhikonfiguratsioon, mis on ehitatud kristalli (X) ja koormuskondensaatorite C1 ja C2 ümber.
Kristallstruktuur on keeruline; see arutelu hõlmab ainult ostsillaatorites töötavate kristallide pealmist kihti ja lihtsustatud struktuuri.
Suletud-ahela võimendusmarginaali Gm saab kasutada väärtuste arvuna (FOM), et kirjeldada ostsillaatori töökindlust erinevate kadude suhtes. Suletud-ahela võimendusmarginaali nimetatakse ka võnkemarginaaliks (OA). OA väärtus alla 5 võib põhjustada madala tootmisvõimsuse ja temperatuuriga seotud{5}}käivitusprobleeme. Disainid, mille OA väärtus on 20 või kõrgem, on tugevad ja vastupidavad, töötavad usaldusväärselt kavandatud töötemperatuuri vahemikus ning neil on minimaalne erinevate tootmispartiide mõju kristallide ja SoC toimivusomadustele.
Ostsillaatori OA mõõtmiseks saab ahelasse lisada muutuva takisti Ra (joonis 2). Suurendage Ra väärtust, kuni ostsillaator ei käivitu. Seda meetodit kasutatakse OA väärtuse määramiseks, nagu on näidatud allpool:
1. võrrand
Kus:
Rn on negatiivne takistus
Re on samaväärne jadatakistus (ESR).
2. võrrand
Võrrand 3
Kus koormusmahtuvus CL arvutatakse järgmiselt:
Võrrand 4
kus Cs on ahela muutuv kondensaator, mille mahtuvuse väärtus on tavaliselt vahemikus 3,0 kuni 5,0 pF.
Joonis 2: näitab laiendatud kristalli mudelit (keskmine kast) ja reguleeritavat takistit (Ra), mida kasutatakse võnkevaru mõõtmiseks.
OA sõltub ESR-ist (Re) ja ESR sõltub kvartskristalli parameetritest Rm ja koormusmahtuvusest CL. Madala võimsusega-ostsillaatorite puhul, nagu need, mida kasutatakse väikese võimsusega-traadita seadmetes, suureneb Rm ja CL mõju OA-le. OA mõõtmine on-aeganõudev ja võib arendusprotsessi pikendada. Seetõttu võidakse see ülesanne tähelepanuta jätta, mis põhjustab süsteemi või seadme tootmisse laskmisel jõudlusprobleeme.
Lisaks võib kõrge OA seadistamine ostsillaatori usaldusväärse töö tagamiseks põhjustada muid probleeme. Näiteks kui kõrgem OA parandab ostsillaatori vooluringi jõudlust, võib see jätta tähelepanuta kristalli põhjustatud võimsuskadu. Sellised kaotused võivad olla oluliseks teguriks. Viidates joonisele 2, põhjustab kristalli liikumistakistus Rm võimsuse hajumist, kuna vool voolab perioodiliselt läbi takisti. Kui CL on suur, suurendab see nii voolu kui ka kadusid. Seetõttu peavad disainerid tasakaalustama kristallide võimsuskadu mõistliku OA väärtusega.
Värisemise vältimine
Kvartskristallostsillaatori projekteerimisel on oluline mõista ja vähendada värinat. Värinul on kahte tüüpi, tavaliselt mõõdetakse ruutkeskmise (RMS) väärtusega:
Perioodivärin: tuntud ka kui faasivärin, see viitab maksimaalsele ajavahele mitme mõõdetud võnkeperioodi vahel, mida tavaliselt mõõdetakse vähemalt 10 perioodi jooksul.
Tsükli värina: see on kella serva maksimaalne varieeruvus, mõõdetuna iga tsükli, mitte mitme tsükli kohta.
Kvartskristallostsillaatorite värina peamised allikad hõlmavad toiteallika müra, signaali sageduse täisarvulisi harmoonilisi, ebaõigeid laadimis- ja lõpetamistingimusi, võimendi müra ja teatud vooluahela konfiguratsioone. Sõltuvalt allikast saab värina vähendamiseks kasutada erinevaid meetodeid.
Kasutage toiteallika müra reguleerimiseks möödaviigukondensaatoreid, kiipinduktoreid või takisti{0}}kondensaatori (RC) filtreid.
Kriitiliste rakenduste puhul, mis nõuavad väga väikest värinat, on harmooniliste juhtimise meetodi loomine ülioluline (väljaspool käesoleva artikli ulatust).
Vähendage väljundisse tagasi peegelduvat võimsust, optimeerides koormus- ja lõpptingimusi.
Vältige kujundusi, mis sisaldavad faasi{0}}lukustatud ahelaid, kordajaid või programmeeritavaid funktsioone, kuna need suurendavad sageli värinat.
Pideva pingega kristallostsillaatorid
Abraconi ASADV, ASDDV ja ASEDV SPXO kasutamine on kasulik süsteemide projekteerimiseks, mille eelpinge varieerub vahemikus 1,60–3,60 V (joonis 3). SPXO seeria hõlmab erinevaid sagedusvahemikke; ASADV seadmed töötavad sagedustel 1,25 MHz kuni 100 MHz, samas kui ASDDV ja ASEDV seadmed töötavad sagedustel 1 MHz kuni 160 MHz. Seeria vastab RoHS/RoHS II standarditele ja kasutab suletud keraamilist pinnakinnitusseadme (SMD) pakendit. Töötemperatuuri vahemikus -40 kraadi kuni +85 kraadi saavutab seeria sageduse stabiilsuse ±25 ppm.
OA sõltub ESR-ist (Re) ja ESR sõltub kvartskristalli parameetritest Rm ja koormusmahtuvusest CL. Madala võimsusega-ostsillaatorite puhul, nagu need, mida kasutatakse väikese võimsusega-traadita seadmetes, suureneb Rm ja CL mõju OA-le. OA mõõtmine on-aeganõudev ja võib arendusprotsessi pikendada. Seetõttu võidakse see ülesanne tähelepanuta jätta, mis põhjustab süsteemi või seadme tootmisse laskmisel jõudlusprobleeme.
Lisaks võib kõrge OA seadistamine ostsillaatori usaldusväärse töö tagamiseks põhjustada muid probleeme. Näiteks kui kõrgem OA parandab ostsillaatori vooluringi jõudlust, võib see jätta tähelepanuta kristalli põhjustatud võimsuskadu. Sellised kaotused võivad olla oluliseks teguriks. Viidates joonisele 2, põhjustab kristalli liikumistakistus Rm võimsuse hajumist, kuna vool voolab perioodiliselt läbi takisti. Kui CL on suur, suurendab see nii voolu kui ka kadusid. Seetõttu peavad disainerid tasakaalustama kristallide võimsuskadu mõistliku OA väärtusega.
Värisemise vältimine
Kvartskristallostsillaatori projekteerimisel on oluline mõista ja vähendada värinat. Värinul on kahte tüüpi, tavaliselt mõõdetakse ruutkeskmise (RMS) väärtusega:
Perioodivärin: tuntud ka kui faasivärin, see viitab maksimaalsele ajavahele mitme mõõdetud võnkeperioodi vahel, mida tavaliselt mõõdetakse vähemalt 10 perioodi jooksul.
Tsükli värina: see on kella serva maksimaalne varieeruvus, mõõdetuna iga tsükli, mitte mitme tsükli kohta.
Kvartskristallostsillaatorite värina peamised allikad hõlmavad toiteallika müra, signaali sageduse täisarvulisi harmoonilisi, ebaõigeid laadimis- ja lõpetamistingimusi, võimendi müra ja teatud vooluahela konfiguratsioone. Sõltuvalt allikast saab värina vähendamiseks kasutada erinevaid meetodeid.
Kasutage toiteallika müra reguleerimiseks möödaviigukondensaatoreid, kiipinduktoreid või takisti{0}}kondensaatori (RC) filtreid.
Kriitiliste rakenduste puhul, mis nõuavad väga väikest värinat, on harmooniliste juhtimise meetodi loomine ülioluline (väljaspool käesoleva artikli ulatust).
Vähendage väljundisse tagasi peegelduvat võimsust, optimeerides koormus- ja lõpptingimusi.
Vältige kujundusi, mis sisaldavad faasi{0}}lukustatud ahelaid, kordajaid või programmeeritavaid funktsioone, kuna need suurendavad sageli värinat.
Kokkuvõte
Disainerid nõuavad täpseid ja usaldusväärseid ostsillaatoreid, et tagada stabiilne ajastus paljudes rakendustes ja töötemperatuuridel. Diskreetsed kristall-juhitavad ostsillaatorid vastavad nõutavatele jõudlusnäitajatele, kuid kristallide abil tõhusalt kujundada on tehniliselt keeruline, mis võtab aega- ja toob kaasa tarbetuid kulusid. Lisaks ei ole need vormiteguri poolest optimaalne valik.
Nagu on näidatud joonisel, saavad disainerid kasutada väikese{0}}võimsusega integreeritud SPXO-sid. Need SPXO-d moodustavad-kasutusvalmis-ajastuslahenduse, saavutades suurepärase sageduse stabiilsuse väga laias töötemperatuuri vahemikus. SPXO-sid kasutades saavad disainerid vähendada komponentide arvu, minimeerida lahenduse suurust, alandada montaažikulusid ja suurendada töökindlust.