Forstå krystallsoscillatorparametere for å optimalisere komponentvalg

Kvartsbaserte krystalloscillatorer er kjernekomponenten som er ansvarlig for frekvens/timing-nøyaktighet og ytelse i nesten alle elektroniske kretser. Dermed må de være nøyaktige og presise over tid. Selvfølgelig eksisterer den «perfekte» oscillatoren bare i teorien, så problemet for designere er den riktige oscillatoren for å oppfylle konstruksjonsmålene. Dette er ingen enkel oppgave.

Når ytelseskravene er bestemt for utrustningen, må designerene finne løsningen med riktig balanse mellom ytelse, kostnader, stabilitet, størrelse, strøm, fysisk struktur og drivfunksjoner for de tilhørende kretsene. For å gjøre dette må de forstå oscillatorens driftsprinsipper, viktige egenskaper og hvordan de har utviklet seg.

Denne artikkelen gir en oversikt over grunnleggende krystallsoscillatorer før du ser på ulike perspektiver knyttet til krystallsoscillatormoduler med høy ytelse. Deretter, ved hjelp av representative enheter fra ECS Inc., vil den kort gjennomgå det grunnleggende i disse oscillatorene før den identifiserer de øverste og andre nivåparameterne, sammen med noen realistiske verdier for disse parametrene. Den vil også vise hvordan forskjellige enheter er tilpasset behovene til noen typiske bruksområder.

Slik fungerer krystalloscillatorer

Krystalloscillatorer gir klokkehjerteslag for prosessorer, bittiming for datakoblinger, samplingstid for datakonverteringer og masterfrekvensen i tunere og synthesizere. I forenklede termer fungerer kvartselementet til krystallsoscillatoren som et ekstremt høykvalitetsresonanselement i tilbakekoblingsnettet til en oscillatorkrets (figur 1). På grunn av viktigheten av krystaller og deres oscillatorer, har den grunnleggende fysikken til kvartsmaterialet så vel som dets elektriske og mekaniske ytelse, sammen med de forskjellige oscillatorkretsene, blitt undersøkt og analysert grundig.

Figur 1: Ved å bruke den piezoelektriske effekten fungerer en krystall som et høykvalitets, stabilt og presist resonanselement i tilbakekoblingssløyfen til en oscillatorkrets. (Bildekilde: ECS Inc. International, modifisert)

I mange år ville brukerne spesifisere krystallens frekvens og andre viktige egenskaper, og deretter tilveiebringe sin egen separate oscillatorkrets ved hjelp av vakuumrør (i de første dager), deretter transistorer og til slutt IC-er. Denne kretsen var vanligvis en kombinasjon av omhyggelig konstruksjonsanalyse så vel som litt «kunst» og erfaringsbasert dømmekraft, ettersom det var mange innbyrdes relaterte finesser. Designeren vil forsøke å balansere disse faktorene for å matche oscillatorens ytelse til kvartskrystallens «kutt» og egenskaper, så vel som prioritetene for utrustningen.

I dag er slike gjør-det-selv-krystallsoscillator-design (DIY) relativt sjeldne fordi det tar tid og krefter å få den innledende konstruksjonen riktig. Så er det den nøyaktige målingen av ytelsen til en oscillator. Dette er komplekst og krever presisjonsinstrumentering og et nøye oppsett. I stedet kan designere for mange bruksområder kjøpe en liten, fullstendig lukket modul som inkluderer både kvartselementet så vel som oscillatorkretsen og utgangsdriveren. Dette reduserer åpenbart designinnsatsen og tiden, mens brukeren får en fullt karakterisert enhet og et datablad med garanterte spesifikasjoner.

En merknad om terminologi: Av historiske og andre grunner bruker ingeniører ofte ordet «krystall» når de da egentlig snakker om hele krystalloscillatorkretsen. Dette er normalt ikke et problem ettersom den tiltenkte betydningen forstås ut fra sammenhengen. Det kan imidlertid noen ganger føre til forvirring, da det fortsatt er mulig å kjøpe en krystall som en frittstående komponent og deretter gi separate oscillatorkretser. Denne artikkelen bruker ordet «oscillator» for å referere til krystallen pluss dens oscillatorkrets som en selvstendig modul i stedet for bare oscillatorkretsen alene.

Karakterisering av krystalloscillatorer

Som med alle komponenter er krystallsoscillatorens ytelse i utgangspunktet definert av et sett med toppnivåparametere. I deres generelle rekkefølge etter betydning er:

Driftsfrekvens: Dette kan variere fra titalls kilohertz (kHz) til hundrevis av megahertz (MHz). Oscillatorer for frekvenser over basisrekkevidden til en oscillator, for eksempel inn i gigahertz (GHz)-området, bruker vanligvis en faselåsesløyfe (phase-lock loop – PLL) som frekvensmultiplikator for å oppkonvertere den grunnleggende frekvensen.

Frekvensstabilitet: Dette er den andre viktige ytelsesfaktoren for oscillatorer. Den definerer avviket av utgangsfrekvensen fra den opprinnelige verdien på grunn av eksterne forhold, og jo mindre dette tallet er, desto bedre.

Det er mange eksterne forhold som påvirker stabiliteten, og mange leverandører kaller dem ut individuelt slik at designeren kan vurdere den faktiske virkningen i utrustningenene. Blant disse faktorene er temperaturrelatert variasjon med hensyn til nominell frekvens ved 25 ⁰C; andre faktorer inkluderer langsiktig stabilitet på grunn av aldring så vel som virkninger av lodding, forsyningsspenningsvariasjoner og endringer i utgangslast. For høyytelsesenheter er den vanligvis karakterisert i deler per million (parts per million – ppm) eller deler per milliard (parts per billion – ppb), med hensyn til den nominelle utgangsfrekvensen.

Fasestøy og jitter: Dette er to perspektiver på samme generelle ytelsesklasse. Fasestøy karakteriserer klokkestøy i frekvensdomenet, mens jitter gjør det i tidsdomenet (figur 2).

Figur 2: Jitter i tidsdomenet og fasestøy i frekvensdomenet er to like gyldige tolkninger av de samme ufullkommenheter. Den foretrukne visningen er en funksjon til utrustningen. (Bildekilde: ECS Inc. International)

Avhengig av utrustningen, vil designeren fokusere på feil primært som definert i det ene eller det andre domenet. Fasestøy defineres vanligvis som forholdet mellom støyen i en 1 hertz (Hz) båndbredde ved en spesifisert frekvensforskyvning, f_m, til oscillatorsignalamplituden ved frekvensen f_O. Fasestøy forringer nøyaktighet, oppløsning og signal-til-støy-forholdet (signal-to-noise ratio – SNR) i frekvenssynthesizere (figur 3), mens jitter forårsaker timingsfeil og dermed bidrar til økt bitfeilrate (bit error rate – BER) i datakoblinger.

Figur 3: Fasestøy sprer effektspekteret til oscillatoren og har en skadelig virkning på oppløsning og SNR. (Bildekilde: ECS Inc. International)

Tidsjitter forårsaker samplingstidsfeil i analoge/digitale konverteringer og påvirker dermed også SNR og påfølgende hurtig Fourier-transformasjon (FFT)-frekvensanalyse.

Enheter i MultiVolt-familien av standardoscillatorer (MV) fra ECS Inc. er tilgjengelige med stabiliteter så lave som ±20 ppm, mens deres stramme stabilitetsoscillatorer (SMV) tilbyr stabiliteter ned til ±5 ppm. For enda strammere stabilitet tilbyr MultiVolt TCXOs ±2,5 ppm ytelse med HCMOS-utganger og ±0,5 ppm for klippede sinusbølgeutganger (både TCXOs og klippede sinusbølger forklares nærmere nedenfor).

Uansett domene, er fasestøy/jitter en viktig faktor for høyytelseskonstruksjoner og må tas i betraktning i feilbudsjettet samtidig som du holder behovene til utrustningen i tankene. Merk at det er mange typer jitter, inkludert absolutt jitter, syklus-til-syklus jitter, integrert fase jitter, langsiktig jitter og periode jitter; for fasestøy er det også forskjellige integrasjonsområder og typer, inkludert hvit støy og forskjellige støy «farger».

Å forstå detaljene i både jitter og fasestøy ved oscillatoren og virkningen i utrustningen kan ofte være en utfordring. Det er vanskelig å konvertere en spesifikasjon fra ett domene til et annet. I stedet bør brukere se på databladet. Det er også viktig å forstå de legitime, men forskjellige leverandørdefinisjonene som kvantifiserer ytelsen når du regnskapsfører disse feilene i det totale feilbudsjettet.

Utgangssignaltype og stasjon: Disse må samsvare med den tilkoblede lasten (figur 4). De to utgangsstasjonstopologiene er ensidig jordede og differensielle.

Figur 4: Ulike utdataformater er tilgjengelige og må være kompatible med oscillatorens lastkonfigurasjon. (Bildekilde: ECS Inc. International)

Ensidig jordede oscillatorer er enklere å implementere, men har større følsomhet for støy og passer vanligvis bedre bare opp til flere hundre megahertz. Blant de ensidig jordede utdatatypene er:

• TTL (transistor-til-transistorlogikk): 0,4 til 2,4 volt (brukes sjelden nå)
• CMOS (komplementær metalloksidhalvleder): 0,5 til 4,5 volt
• HCMOS (høyhastighets-CMOS):              0,5 til 4,5 volt
• LVCMOS (lavspennings-CMOS):            0,5 til 4,5 volt

Differensielle utganger er vanskeligere å utforme, men gir bedre ytelse i høyfrekvensutrustninger, ettersom all støy som er felles for differensialsporene, kanselleres ut. Dette bidrar til å opprettholde oscillatorens ytelse som sett av lastkretsen. Differensielle signaltyper er:

• PECL (positiv emitterkoblingslogikk): 3,3 til 4,0 volt
• LVPECL (lavspennings-PECL);            1,7 til 2,4 volt
• CML (strømmoduslogikk):                             0,4 til 1,2 volt og 2,6 til 3,3 volt
• LVDS (lavspennings- differensiell signalering):            1,0 til 1,4 volt
• HCSL (høyhastighets- Strømstyrende):              0,0 til 0,75 volt

Valget av signaltype bestemmes av utrustningsprioritetene og tilhørende kretser.

Oscillatorens utgangsbølgeform kan være en klassisk sinusbølge med én frekvens eller en klippet sinusbølge (figur 5). Den analoge bølgen er den «reneste» og minst utsatt for jitter/fasestøy, i motsetning til å bruke en komparatorkrets til å omdanne den til en firkantet bølge, da det legger til jitter/fasestøy og dermed forringer den. Den klippede sinusbølgen skaper en firkantet bølgelignende utgang som er kompatibel med digitale belastninger uten å ofre noe av ytelsen.

Figur 5: Den klippede sinusbølgen tilnærmer seg en kvadratisk bølge samtidig som den minimerer ytterligere jitter eller fasestøy. (Bildekilde: ECS Inc. International)

Forsyningsspenning og strøm: Disse har begge blitt redusert for å imøtekomme behovene til dagens lavere spenning og ofte batteridrevne systemer. De fleste MultiVolt-serieoscillatorer kan operere med forsyningsspenninger på 1,8 volt, 2,5 volt, 3,0 volt og 3,3 volt.

Kapslingsstørrelse: Akkurat som med driftspenning og strøm, har oscillatorkapslinger også blitt mindre. Bransjen har noen standardiserte størrelser for ensidig jordede enheter (som bare trenger fire tilkoblinger), mens differensialsoscillatorer har seks kontakter og bruker de større kapslingene, med dimensjoner gitt her i 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 i stor grad om temperatur

Den største eksterne faktoren som påvirker og forskyver oscillatorens ytelse er temperatur. Selv om oscillatorens driftseffekt er lav og dermed er selvoppvarming nesten ubetydelig, påvirker omgivelsestemperaturen driftsfrekvensen da disse endringene påvirker mekaniske dimensjoner og spenninger på kvartskrystallen. Det er viktig å sjekke ytelsen til den valgte oscillatoren på ytterpunktene av de forventede områdene. Disse områdene beskrives vanligvis som:

• Kommersiell, bilindustri-klasse 4:                   0 til +70°C
• Utvidet kommersiell:                                   −20 til +70 °C
• Industriell, bilindustri-klasse 3:                     −40 til +85 °C
• Utvidet Industriell, bilindustri-klasse 2:     −40 til +105 °C
• Bilindustri-klasse 1:                                      −40 til +125 °C
• Militær:                                                          −55 til +125 °C
• Bilindustri-klasse 0:                                      −40 til +150 °C

For noen konstruksjoner er det ikke bare ytelse over temperatur som er en vurdering, men også behovet for å oppfylle andre pålitelighetsspesifikasjoner. ECS-2016MVQ er for eksempel en miniatyr-overflatemontert multivolts HCMOS-utgangsoscillator for 1,7-3,6 volts drift (figur 6). Den keramiske kapsling fra 2016 (2,0 mm × 1,6 mm, per over) måler 0,85 mm høy, retter seg mot hardere industrielle anvendelser, og ER AEC-Q200 kvalifisert (automotive/bilindustri) for temperaturkrav av grad 1. Den er tilgjengelig for frekvenser fra 1,5 til 54 MHz i fire grader av frekvensstabilitet, fra ±20 ppm til ±100 ppm over -40 °C til +85 °C; fasejitteren er svært lav ved bare 1 pikosekund (ps), målt fra 12 kHz til 5 MHz.

Figur 6: ECS-2016MVQ er tilgjengelig for frekvenser fra 1,5 til 54 MHz og i fire stabilitetsgrader fra ±20 ppm til ±100 ppm. (Bildekilde: ECS Inc. International)

For bruksområder der driften over driftsområdet er uakseptabelt høy, er to avanserte oscillatorimplementeringer tilgjengelige: den temperaturkompenserte krystalloscillatoren (temperature-compensated crystal oscillator – TCXO) og den termostabiliserte krystalloscillatoren (OCXO). (Merk at XTAL er betegnelsen på krystall på mange skjemaer, og “X” brukes som en forkortelse for det i akronymet.) En TCXO bruker en aktiv krets for å kompensere for endringen i utgangsfrekvens på grunn av temperaturvariasjon. I motsetning til OCXO er krystallsoscillatoren plassert i en varmeisolert varmekammer som oppvarmes og opprettholdes ved en konstant temperatur over maksimal omgivelsestemperatur (en oppvarmingsovn kan ikke avkjøles til under omgivelsestemperatur).

TCXO-er krever ekstra kretser sammenlignet med en grunnleggende oscillator, men langt mindre strøm enn OCXO-en med varmekammer, som vanligvis krever flere watt. I tillegg er TCXO bare litt større enn en ukompensert enhet og er mye mindre enn en OCXO. En TCXO vil vanligvis vise en forbedring i drift mellom 10 og 40 ganger den for en ukompensert enhet, mens en OXCO kan vise drift ytelse som er to størrelsesordener forbedring i sammenligning, men med en betydelig straff i størrelse og effekt.

ECS-TXO-32CSMV er en TCXO montert på en klippet sidebølgeflate med multivolt-kapasitet (1,7 til 3,465 volts forsyning) for frekvenser mellom 10 og 52 MHz (figur 7). Den 3,2 × 2,5 × 1,2 mm høye keramiske kapslingen er godt egnet til bærbare og trådløse utrustninger der stabiliteten er avgjørende. De viktigste spesifikasjonene viser dens ekstremt høye stabilitet kontra temperatur, tilførselsendring, lastendring og aldring sammen med dens beskjedne strømkrav på under 2 mA (tabell 1).

Figur 7: ECS-TXO-32CSMV er en klippet sinusbølgeutgangskrystallsoscillator som inkorporerer interne kompensasjonskretser for å forbedre stabilitetsytelsen kraftig. (Bildekilde: ECS Inc. International)

Tabell 1: Spesifikasjonene for den temperaturkompenserte ECS-TXO-32CSMV TXCO viser hvordan dens interne kompensasjon forbedrer stabilitetsytelsen til tross for et sett med eksterne forstyrrelser. (Bildekilde: ECS Inc. International)

Drift med lavt energiforbruk: ofte en prioritet

Til tross for trender mot stadig høyere frekvensprosessorklokker og datahastigheter, er det fortsatt stort behov for lavfrekvens-krystallsoscillatorer for timing i ekstreme utrustning med lavt energiforbruk. ECS-327MVATX er for eksempel en miniatyr-overflatemontert oscillator som opererer med en fast frekvens på 32,768 kHz med multivolt-kapasitet (1,6 til 3,6 volt). Med sitt nåværende krav om bare 200 mikroampere (µA) og ensidig jordet CMOS-utgang passer den godt for sanntidsklokker (RTC), laveffekt-/bærbare, industrielle og IoT (Internet of Things)-utrustninger. Den tilbys i 2016 til 7050 kapslingsstørrelser, med frekvensstabilitet fra tette ± 20 ppm til noe løsere ± 100 ppm over temperaturområdet -40 ° C til + 85 ° C, avhengig av modell.

For å minimere gjennomsnittlig strømforbruk tilbyr mange oscillatorer også en aktiverings-/deaktiveringsfunksjon. For eksempelECS-5032MV er en 125 MHz overflatemontert oscillator med MultiVolt-operasjonsevne fra 1,6 til 3,6 volt og CMOS-utgang, som tilbys i en 5032 keramisk kapsling (figur 8).

Figur 8: ECS-5032MV er en 125 MHz overflatemontert oscillator med en aktiverings-/deaktiveringsfunksjon som kan bidra til å spare strøm. (Bildekilde: ECS Inc. International)

En av de fire kontaktene tillater at oscillatoren settes i hvilemodus, noe som reduserer den nødvendige strømmen fra 35 mA aktiv verdi til bare 10 mikroampere (µA) standbystrøm (beredskaspsstrøm). Oppstartstiden er 5 millisekunder (ms) etter at enheten er aktivert på nytt.

Tilpasse spesifikasjoner til utrustningen

Å bestemme seg for en egnet krystalloscillator for en utrustning er, som forventet, en balanse mellom spesifikasjoner, prioriteringer, kostnader og deres relative vekting. Det er mer enn det åpenbare hensyn å velge en enhet med den nødvendige nominelle frekvensen, frekvensstabilitet, jitter/fasestøy og andre attributter som en frittstående oscillator. Brukere må også sikre at oscillatorens utgangsstasjon er kompatibel med tilhørende last og system, slik at koblingen ikke forringer ytelsen. Selv om det er mange slike hensyn, er det noen generelle retningslinjer:

• En LVDS-utgang krever bare en enkelt motstand ved mottakeren, mens LVPECL krever avslutning ved både sender og mottaker.
• LVDS, LVPECL og HCSL har raskere overganger enn CMOS, men vil kreve mer kraft og er best egnet for høyfrekvente design.
• For laveste strømforbruk over 150 MHz er CMOS eller LVDS de beste valgene.
• LVPECL, LVDS og deretter CMOS tilbyr den beste jitterytelsen ved lavere frekvenser.

Konklusjon

Kvarts krystalloscillatoren er grunnlaget i mange kretser og systemer. Sikre at ytelsen til denne funksjonen samsvarer med utrustningskravene krever nøye balansering mellom viktige parametere, som begynner med nominell frekvensnøyaktighet, stabilitet kontra temperatur og andre faktorer som jitter og fasestøy. Det krever også å matche oscillatorens utgangsdrevformat til egenskapene til lastkretsen. Krystalloscillatorer i ECS MultiVolt-familiene tilbyr overlegen ytelse med kombinasjoner av spesifikasjoner i komplette, brukervennlige moduler.