Slik oppfyller du enkelt og kostnadseffektivt kravene til lavt energiforbruk ved hjelp av SPXO-er

Kretstiming er en kritisk funksjon som kreves av et bredt spekter av elektroniske enheter, inkludert mikrokontrollere, USB, Ethernet, Wi-Fi og Bluetooth-tilkoblinger, samt databehandlingsenheter og periferiutstyr, medisinsk utstyr, test- og måleutstyr, industriell kontroll og automatisering, tingenes internett (IoT), bærbare enheter og forbrukerelektronikk. Å designe krystallstyrte oscillatorer for å gi systemtidspunktet ser først ut til å være en enkel øvelse, men designere må vurdere mange parametere og designkrav når de matcher en kvartskrystall med en oscillator-IC.

De mange hensynene inkluderer krystallbevegelsesimpedans, resonansmodus, drivnivå og negativ oscillatormotstand. For kretsoppsettet må designeren vurdere kretskortets parasittiske kapasitans, inkludert et vernebånd rundt krystallen og den integrerte kapasitansen på brikken. Den endelige designen må være kompakt og pålitelig med et minimum antall komponenter, ha lav RMS-jitter (root mean square jitter), samt være i stand til å operere over et bredt inngangsspenningsområde med minimalt strømforbruk.

En løsning er å bruke enkeltkapslede krystalloscillatorer, SPXO-er (SPXOs – simple packaged crystal oscillators). Optimalisert for lavt strømforbruk og lav RMS-jitter, pluss drift ved enhver spenning mellom 1,60 og 3,60 volt, gjør disse kontinuerlig spenningsoscillatorene det mulig for designere å implementere løsninger som krever minimal designinnsats for å integreres i systemer.

Denne artikkelen vil kort ta for seg noen av de viktige ytelseskravene og designutfordringene som må oppfylles for å lykkes med å designe timingkretser ved hjelp av diskrete kvartskrystaller og timingkretser. Den introduserer deretter SPXO-løsninger fra Abracon og viser hvordan designere kan bruke dem for effektivt å møte timingbehovene til elektroniske systemer.

Krystalloscillatordrift og konstruksjonsutfordringer

Strømforbruk er et viktig hensyn i små, batteridrevne trådløse enheter. Mange slike enheter er basert på SoC-radioer og prosessorer (system-på-brikke) med svært lavt energiforbruk som kan støtte flerårige batterilevetider. Det er også viktig å minimere størrelsen på batteriet for å kontrollere enhetskostnaden, siden batteriet kan være den dyreste komponenten i systemet. Når det er sagt, er hvilestrøm ofte det viktigste hensynet til batterilevetiden i små trådløse systemer, og klokkeoscillatoren dominerer ofte hvilestrømmen (standby-strømmen). Derfor er det avgjørende å minimere oscillatorstrømmen.

Dessverre kan det være utfordrende å designe oscillatorer med lavt energiforbruk. En måte å spare energi på er å minimere hvilestrømmen (standby-strømmen) ved å gå inn i en «deaktivert» tilstand og starte oscillatoren etter behov. Krystalloscillatorer er imidlertid ikke enkle å starte opp raskt og pålitelig. Designere må sørge for å garantere at oscillatoren trekker lav strøm under standby og har pålitelige oppstartsegenskaper på tvers av alle drifts- og miljøforhold.

Pierce-oscillatorkonfigurasjonen brukes vanligvis i trådløse SoC-er med lavt energiforbruk (figur 1). En Pierce-oscillator er bygget rundt en krystall (X) og lastkondensatorer (C₁ og C₂), pakket inn med en inverterende forsterker ved hjelp av en intern tilbakekoblingsmotstand. Under de riktige forholdene, når forsterkerens utgang mates tilbake til inngangen, resulterer det i en negativ motstand og svingning (oscillasjon) oppstår.

Figur 1: Grunnleggende Pierce-oscillatorkonfigurasjon bygget rundt en krystall (X) og lastkondensator C₁ og C₂. (Bildekilde: Abracon)

Krystaller er komplekse strukturer; her tar vi bare for oss et toppnivå med forenklet blikk på deres drift i oscillatorer.

Den lukkede sløyfeforsterkningsmarginen, Gm, kan brukes som en kvalitetstall (FOM – figure of merit) for å karakterisere påliteligheten til en oscillator i forhold til forskjellige tap. Det kalles også svingningstillatelse (OA – oscillation allowance). En OA under 5 kan føre til lavt produksjonsutbytte og temperaturrelaterte oppstartsproblemer. Konstruksjoner med en OA på 20 eller mer er robuste, gir pålitelig drift over det utformede driftstemperaturområdet og er ufølsomme for produksjonspartivariasjoner når det gjelder krystall- og SoC-ytelsesegenskaper.

For å måle OA for en oscillator, en variabel motstand, legges R_a til kretsen (figur 2). Verdien av R_a økes til oscillatoren ikke kan starte. Det er verdien som brukes til å bestemme OA som følger:

 Formel 1

Der:

R_n er den negative motstanden

R_e er ekvivalent seriemotstand (ESR)

 Formel 2

 Formel 3

Der lastkapasitansen, C_L, beregnes ved hjelp av:

 Formel 4

Der Cs er kretsens vagrantkapasitans, vanligvis 3,0 til 5,0 picofarad (pF).

Figur 2: Pierce-oscillator som viser den utvidede krystallmodellen (i boksen i midten) og den justerbare motstanden (R_a) for måling av svingningstillatelsen (oscillasjonstillatelsen). (Bildekilde: Abracon)

OA er avhengig av ESR (R_e), og ESR er avhengig av kvartskrystallparameteren R_m og lastkapasitansen, C_L. Påvirkningen av R_m og C_L på OA øker for oscillatorere med lav effekt, slik som de som brukes i trådløse enheter med lavt energiforbruk. Måling av OA tar tid og kan synes å forlenge utviklingsprosessen. Resultat kan blir at det blir oversett, noe som forårsaker ytelsesproblemer når systemet eller enheten settes i produksjon.

I tillegg kan innstilling av en høy OA for å sikre pålitelig oscillatordrift føre til andre problemer. For eksempel vil en høy OA resultere i høy oscillatorkretsytelse, men strømtap på grunn av krystallen kan bli oversett. Disse tapene kan utgjøre en betydelig faktor. Når man ser tilbake på figur 2, forårsaker krystallets bevegelsesmotstand, R_m, et effekttap når strømmen går gjennom motstanden. Strømmen og tapene øker når C_L er større. Designere må oppnå en balanse mellom strømtap i krystallen og en rimelig verdi for OA.

Unngå jitter

Når du designer kvartskrystalloscillatorer, er jitter viktig for å forstå og minimere. Det er to typer jitter, som begge vanligvis måles som RMS-verdier:

• Syklus-til-syklus-jitter: Også kalt fasejitter, er den maksimale tidsforskjellen mellom flere målte svingningsperioder (oscillasjonsperioder), vanligvis målt over minst 10 perioder.
• Periodejitter: Dette er den maksimale endringen av en klokkekant og måles ved hver periode, men ikke flere perioder.

Større kildene til jitter i kvartskrystalloscillatorer er blandt annet strømforsyningsstøy, heltallsovertoner av signalfrekvensen, feil last- og avslutningsforhold, forsterkerstøy og visse kretskonfigurasjoner. Avhengig av kilden, er det flere metoder som kan brukes for å minimere jitter:

• Bruk av forbikoblingskondensatorer (bypass-kondensatorer), ferrittperler eller resistor-kondensatorfiltre (RC-filtre) for å kontrollere støy fra strømforsyningen.
• I kritiske bruksområder som krever svært lav jitter, er det viktig å etablere en metode for å kontrollere overtoner (utenfor omfanget av denne artikkelen).
• Reduser reflektert strøm tilbake til utgangen ved å optimalisere last- og avslutningsforholdene.
• Unngå å bruke design som inkluderer faselåste sløyfer, multiplikatorer eller programmerbare funksjoner siden de har en tendens til å øke jitter.

Krystalloscillatorer med kontinuerlig spenning

Utformere av systemer med varierende systemforspenning mellom 1,60 og 3,60 volt kan dra nytte av å bruke ASADV, ASDDV og ASEDV SPXO-er fra Abracon (figur 3). Disse SPXO-familiene dekker forskjellige frekvensområder, 1,25 megahertz (MHz) til 100 MHz for ASADV-enhetene og 1 MHz til 160 MHz for ASDDV- og ASEDV-enhetene. De er RoHS/RoHS II-kompatible og leveres i hermetisk forseglede keramiske kapslinger som enheter for overflatemontering (SMD – surface-mount device). Deres frekvensstabilitet er ±25 ppm (deler per million) over deres driftstemperaturområde fra -40 °C til +85 °C.

Figur 3: ASADV (vist), ASDDV og ASEDV SPXO-er er kapslet i hermetisk lukkede keramiske kapslinger og kan fungere fra -40 °C til +85 °C. (Bildekilde: 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 seriene er tilgjengelige med en rekke vanlige driftstemperaturområder, stabilitetsalternativer og et CMOS/HCMOS/LVCMOS-kompatibelt utdataformat.

Det er viktig at ASADV-, ASDVD- og ASEDV-familiene er optimalisert for svakstrømsdrift (figur 4). Funksjonen for å aktivere/deaktivere utdata reduserer strømmen til bare 10 mikroampere (μA) når den er deaktivert. De har en maksimal oppstartstid på 10 ms (millisekunder).

Figur 4: Vist er strømforbruket for ASEDV versus forsyningsspenning som er typisk for ytelsen til denne SPXO-familien (målt ved 25 °C ±3 °C). (Bildekilde: Abracon)

Alle tre SPXO-familiene har spesielt lavt strømforbruk. For ASADV varierer den maksimale strømmen (målt i en 15 pF last ved 25 °C) fra 1,0 milliampere (mA) ved 1,25 MHz og en forsyningsspenning på 1,8 volt, til 14,5 mA ved 81 MHz og en forsyningsspenning på 3,3 volt. For ASDDV og ASEDV varierer den maksimale strømmen fra 1,0 mA ved 1 MHz og en forsyningsspenning på 1,8 volt til 19 mA ved 157 MHz og en forsyningsspenning på 3,3 volt.

Enhetene kan kjøre flere laster og har god elektromagnetisk interferens (EMI) -ytelse og lav jitter. De er spesifisert for RMS-fasejitter på <1,0 pikosekund (ps) og en periodejitter på maksimalt 7,0 ps.

SPXO-ene gir også god frekvensstabilitet over hele driftstemperaturområdet (figur 5). I mange bruksområder kan disse oscillatorene brukes som ferdigløsninger (drop-in-løsninger), og trenger lite designarbeid. De eliminerer også behovet for forspenning-spesifikk oscillatorvalg (bias-spesifikk oscillatorvalg) og fjerner forspenningsavhengige frekvensvariasjoner (biasavhengige frekvensvariasjoner).

Figur 5: Disse SPXO-ene har god frekvensstabilitet over hele driftstemperaturområdet. Denne grafen er typisk for ASEDV-familien. (Bildekilde: Abracon)

Til slutt, når støt og vibrasjon ikke er kritiske hensyn, kan overflatemonterte ASADV-, ASDVD- og ASEDV-oscillatorer med kontinuerlig spenning benyttes, som billigere alternativer til MEMS-oscillatorer (mikroelektromekaniske systemer).

Konklusjon

Designere trenger presise og pålitelige oscillatorer for å gi stabil timing over et bredt spekter av bruksområder og driftstemperaturer. Frittstående (diskrete) krystallstyrte oscillatorer kan oppfylle de påkrevde ytelsesegenskapene, men å designe effektivt med krystaller kan være teknisk vanskelig, tidkrevende, unødvendig kostbart og ikke optimalt med hensyn til utvendige mål (formfaktor).

Som vist kan designere i stedet bruke integrerte SPXO-er med lav effekt som danner ferdigløsning for timing (drop-in-timingsløsninger) med god frekvensstabilitet over et bredt driftstemperaturområde. Ved hjelp av SPXO-er kan designere redusere antall komponenter, krympe løsningens størrelse, redusere monteringskostnader og forbedre påliteligheten.

Anbefalt lesing

Slik velges og brukes en oscillator på en effektiv måte