Alacsony fogyasztású áramkörök időzítési követelményeinek teljesítése egyszerűen és költséghatékonyan SPXO-k használatával

Az áramkörökön belüli időzítés egy olyan kritikusan fontos funkció, amelyre az elektronikus eszközök széles körében szükség van, beleértve a mikrovezérlőket, az USB, Ethernet, Wi-Fi és Bluetooth interfészeket, valamint a számítástechnikai eszközöket és perifériákat, az orvosi eszközöket, a tesztelési és mérési berendezéseket, az ipari vezérlést és automatizálást, a tárgyak internetét (IoT), a viselhető eszközöket és a fogyasztói elektronikát. Elsőre egyszerű feladatnak tűnhet, hogy a rendszeren belüli megfelelő időzítések biztosítására saját tervezésű kristályvezérelt oszcillátort használjunk, de a tervezőknek számos paramétert és tervezési követelményt kell figyelembe venniük egy kvarckristály és egy oszcillátor IC összepárosításakor.

Ezen számos szempont közé tartozik a kristály mozgási impedanciája, a rezonanciafrekvencia, a meghajtóáram és az oszcillátor negatív ellenállása. Az áramkör elrendezésénél a tervezőnek figyelembe kell vennie a nyomtatott áramköri kártya parazita kapacitását, ki kell alakítania egy védősávot a kristály körül, és oda kell figyelnie a chip saját kapacitására is. A végső kialakításnak kompaktnak és megbízhatónak kell lennie, minimális számú alkatrésszel, alacsony effektív (rms) jitterrel, és képesnek kell lennie széles bemeneti feszültségtartományon való működésre, minimális energiafogyasztás mellett.

Ez megoldható például az egyszerű tokozott kristályoszcillátorok (SPXO-k) használatával. Az alacsony energiafogyasztásra és alacsony effektív jitterre optimalizált, valamint az 1,60 és 3,60 V közötti feszültségen való működéssel ezek a folyamatos feszültségű oszcillátorok lehetővé teszik a tervezők számára olyan megoldások megvalósítását, amelyek rendszerbe integrálása minimális tervezési erőfeszítést igényel.

Ebben a cikkben néhány olyan fontos működési követelményt és tervezési problémát tárgyalunk röviden, amelyeknek meg kell felelni a diszkrét kvarckristályokra és időzítő IC-kre épülő időzítő áramkörök tervezésekor. Ezután SPXO-kat tartalmazó megoldásokat mutatunk be az Abracon-tól, majd azt, hogyan használhatják fel azokat a tervezők hatékonyan és eredményesen az elektronikus rendszereken belüli időzítési követelmények kielégítésére .

A kristályoszcillátor működése és tervezési problémák

Az energiafogyasztás fontos szempont a kisméretű, akkumulátorral táplált vezeték nélküli eszközöknél. Számos ilyen eszköz nagyon alacsony fogyasztású System-on-Chip (SoC) rádiókra és processzorokra épül, amelyekkel több éves elemélettartam is biztosítható. Fontos az akkumulátor méretének a minimalizálása is, hogy a készülék ára szinten tartható maradjon, mivel előfordulhat, hogy az akkumulátor képezheti a rendszer legdrágább alkatrészét. Mindemellett azonban, a kisméretű, vezeték nélküli rendszereknél az akkuélettartamot tekintve gyakran a készenléti áram a legfontosabb szempont, és ilyenkor általában az órajel-oszcillátor generálja a legnagyobb fogyasztást. Tehát, az oszcillátor áramfelvételét kritikusan fontos minimumon tartani.

Sajnos, alacsony fogyasztású oszcillátorokat tervezni igazi kihívást jelenthet. Az energiával való takarékoskodás egyik módja, ha az eszközt „letiltott” állapotba helyezzük, minimalizáljuk a készenléti áramot és az oszcillátort szükség szerint indítjuk. A kristályoszcillátorokat azonban nem egyszerű gyorsan és megbízhatóan beindítani. A tervezőknek ügyelniük kell arra, hogy készenléti állapotban az oszcillátor áramfelvétele alacsony legyen, indítási jellemzői pedig olyanok legyenek, amelyekre megbízhatóan hagyatkozni lehet minden működési és környezeti körülmény között.

A Pierce-oszcillátor kapcsolást gyakran használják az alacsony fogyasztású vezeték nélküli SoC-kben (1. ábra). A Pierce-oszcillátor egy kristályra (X) és terhelő kondenzátorokra (C₁ és C₂) épül, amelyekhez egy belső visszacsatolási ellenállással rendelkező invertáló erősítő kapcsolódik. Megfelelő körülmények között, amikor az erősítő kimenete a visszacsatoló ágon visszakerül a bemenetre negatív ellenállás keletkezik, és rezgés lép fel.

1. ábra: Egy kristályra (X) valamint a C₁ és C₂ terhelő kondenzátorokra épülő Pierce-oszcillátor alapvető kapcsolása. (Kép: Abracon)

A kristályok összetett szerkezetek; itt most felsőbb szintről nézve csak egy egyszerűsített áttekintést nyújtunk az oszcillátorokban való működésükről.

Minősítő számadatként felhasználható a zárt kör erősítési tartaléka (gain margin, Gm) az oszcillátor megbízhatóságának jellemzésére a különböző veszteségekhez képest. Ezt oszcillálási képességnek (oscillation allowance, OA) is nevezik. 5 alatti OA érték esetén a termékek minőségi megfelelősége alacsony lehet, és hőmérséklettől függő indítási problémák léphenek fel. A 20 vagy annál nagyobb OA értékű kialakítások robusztusak, megbízhatóan működnek a tervezett üzemi hőmérséklettartományban, valamint a kristály és a SoC működési jellemzői nem függenek a gyártási szériák eltéréseitől.

Az oszcillátorok OA értékének méréséhez egy R_a változtatható ellenállást adunk hozzá az áramkörhöz (2. ábra). Az R_a értékét addig növeljük, amíg az oszcillátor nem tud elindulni. Ezt az értéket használják az OA meghatározására az alábbiak szerint:

 1. egyenlet

Ahol:

R_n a negatív ellenállás

R_e az egyenértékű soros ellenállás (ESR)

 2. egyenlet

3. egyenlet

Ahol a C_L terhelési kapacitást a következők szerint kell kiszámítani:

 4. egyenlet

Ahol Cs az áramkör parazita kapacitása, általában 3,0-5,0 pF.

2. ábra: Pierce-oszcillátor a kibővített kristálymodellel (középponti téglalap) és az oszcillálási képesség mérésére szolgáló állítható ellenállással (R_a). (Kép: Abracon)

Az OA az ESR-től (R_e) függ, az ESR pedig a kvarckristály R_m paraméterétől és a C_L terhelő kapacitástól. Az R_m és C_L értékeknek OA-ra gyakorolt hatása nagyobb az alacsony fogyasztású oszcillátoroknál, például azoknál, amelyeket a kisfogyasztású vezeték nélküli eszközökben használnak. Az OA mérése időigényes feladat, és látszólag hosszabbítja a fejlesztési folyamatot. Emiatt ezt néha elhanyagolják, ami működésbeli problémákat okozhat, amikor a rendszer vagy az eszköz a termelési fázisba kerül.

Fontos viszont, hogy túl magas OA értéket állítani be az oszcillátor megbízható működésének biztosítása érdekében más problémákhoz vezethet. A magas OA érték például jó oszcillátoráramköri működést eredményez, de a kristály miatti áramveszteségek talán elkerülhetik a tervezők figyelmét, de ezek a veszteségek viszont jelentős tényező lehetnek. Ha visszatekintünk a 2. ábrára, a kristály mozgási ellenállása R_m áramveszteséget okoz az ellenálláson ciklikusan átfolyó áram miatt. A C_L növelésével az áramerősséggel együtt a veszteségek is nőnek. A tervezőknek meg kell találniuk az egyensúlyt a kristályban fellépő energiaveszteségek és egy ésszerű OA értéke között.

A jitter elkerülése

Kvarckristályos oszcillátorok tervezésekor fontos megérteni és minimalizálni a jittert. Kétféle jitter létezik, mindkettőt jellemzően effektív értékben mérik:

• Fázisjitter (cycle-to-cycle jitter): A fázisjitter a maximális időbeli eltérés az oszcilláló jel több mért periódusa között, általában legalább 10 perióduson keresztül mérve.
• Periódusjitter: Ez az órajel-görbe egy adott élének maximális változása, amelyet minden egyes periódusban mérnek, de nem több perióduson át.

A kvarckristályos oszcillátoroknál a jitter fő forrásai közé tartozik a tápegység zaja, a jelfrekvencia egész számú felharmonikusai, a nem megfelelő terhelési és lezárási feltételek, az erősítő zaja és bizonyos áramköri kialakítások. A forrástól függően többféle módszer is alkalmazható a jitter minimalizálására:

• Bypass-kondenzátorok, ferritgyöngyök vagy ellenállás-kondenzátor (RC) szűrők használata a tápegység zajának elnyomására.
• A nagyon alacsony jittert igénylő kritikus alkalmazásokban megfelelő módszert kell kidolgozni a felharmonikusok ellenőrzésére (ez meghaladja e cikk kereteit).
• A terhelés és a lezárási körülmények optimalizálásával csökkenteni kell a kimenetre visszaverődő teljesítményt.
• A fáziszárt hurkokat, szorzókat vagy programozható funkciókat tartalmazó kialakítások kerülendők, mivel ezek általában növelik a jittert.

Folyamatos feszültségű kristályoszcillátorok

Az 1,60 és 3,60 V közötti változó feszültséggel előfeszített rendszerek tervezői számára előnyös lehet az Abracon ASADV, ASDDV és ASEDV SPXO-k használata (3. ábra). Ezek az SPXO-családok különböző frekvenciatartományokat fednek le: ez 1,25 MHz és 100 MHz között van az ASADV-eszközök esetében, valamint 1 MHz és 160 MHz között az ASDDV és ASEDV-eszközöknél. Megfelelnek a RoHS/RoHS II előírásoknak, és hermetikusan zárt, felületszerelt kerámia (SMD) tokozásban forgalmazzák őket. A frekvenciastabilitásuk ±25 ppm (parts per million) a -40°C és +85°C közötti működési hőmérséklet-tartományban.

3. ábra: Az ASADV (a képen), ASDDV és ASEDV SPXO-k hermetikusan zárt kerámia tokozásúak, és a működési hőmérséklet tartományuk -40 °C és +85 °C között van. (Kép: Abracon)

Az ASADV 2,0 x 1,6 x 0,8 mm méretű, az ASDDV 2,5 x 2,0 x 0,95 mm, az ASEDV pedig 3,2 x 2,5 x 1,2 mm. Ez a három sorozat számos általános üzemi hőmérséklettartományban, stabilitási opcióval és CMOS/HCMOS/LVCMOS-kompatibilis kimeneti változatban kapható.

Ami a legfontosabb, hogy az ASADV, ASDVD és ASEDV családok tagjait alacsony áramú működésre optimalizálták (4. ábra). A kimenetet engedélyező/letiltó funkció kikapcsolt állapotban mindössze 10 μA-re csökkenti az áramfelvételt, és maximális indítási idejük 10 ms.

4. ábra: A grafikonon az ASEDV áramfelvétele látható a tápfeszültség függvényében, ami jellemző ezen SPXO-család tagjainál (25°C ±3°C-on mérve). (Kép: Abracon)

Az áramfelvétel ezen mindhárom SPXO-családnál különösen alacsony. Az ASADV esetében a maximális áram értéke (15 pF terheléssel, 25°C-on mérve) 1,25 MHz-en, 1,8 V-os tápfeszültségen az 1,0 mA és 81 MHz-en, 3,3 V-os tápfeszültségen a 14,5 mA közötti tartományban mozog. Az ASDDV és ASEDV esetében a maximális áram értéke 1 MHz-en, 1,8 V-os tápfeszültségen 1,0 mA és 157 MHz-en, 3,3 V-os tápfeszültségen 19 mA között mozog.

Az eszközök több terhelést is képesek meghajtani, az elektromágneses interferencia (EMI) elleni képességeik jók, jitterük alacsony. Specifikációik szerint fázisjitterük effektív értéke 1,0 ps alatti, periódusjitterük pedig legfeljebb 7,0 ps lehet.

Az SPXO-k frekvenciastabilitása továbbá igen jó a teljes működési hőmérséklettartományban (5. ábra). Számos alkalmazásban ezek az oszcillátorok „azonnal beültethető” megoldásként használhatók, kevés többlet velejáró tervezési munkával. Emellett kiküszöbölik azt, hogy előfeszítéstől függő oszcillátort kelljen választani, és megszüntetik az ugyancsak ettől függő frekvenciaingadozást.

5. ábra: Ezek az SPXO-k jó frekvenciastabilitással rendelkeznek a teljes működési hőmérséklettartományukban. Egy egy tipikus grafikon az egész ASEDV családra vonatkozólag. (Kép: Abracon)

Végezetül, ha az ütés- és rezgésállóság nem kritikus szempont, akkor az ASADV, ASDVD és ASEDV folyamatos feszültségű, felületszerelt kristályoszcillátorok olcsóbb alternatívát képeznek a mikroelektromechanikai (MEMS) oszcillátorokkal szemben.

Összegzés

A tervezőknek pontos és megbízható oszcillátorokra van szükségük, hogy stabil időzítést biztosítsanak, széles alkalmazási- és üzemi hőmérsékleti skálán. A diszkrét kristályvezérelt oszcillátorok megfelelnek a kívánt működési jellemzőknek, de effektív tervek készítése kristályok használatával technikailag nehéz, időigényes, szükségtelenül költséges és a méretek szempontjából nem optimális.

Amint azt bemutattuk, a tervezők ehelyett használhatnak integrált, alacsony fogyasztású SPXO-kat, amelyek széles működési hőmérséklet-tartományban jó frekvenciastabilitású, közvetlenül beültethető időzítési megoldásokat jelentenek. Az SPXO-k használatával a tervezők csökkenthetik a felhasznált alkatrészek számát, a megoldás méretét, az összeszerelési költségeket és javíthatják a megbízhatóságot.

Ajánlott olvasnivaló

Oszcillátorok helyes kiválasztása és hatékony alkalmazása