HUF | EUR | USD

Ismerje meg a kristályoszcillátorok paramétereit az optimális alkatrészkiválasztás érdekében

By Bill Schweber

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Szinte minden elektronikus áramkörben a kvarckristály oszcillátorok felelnek a frekvencia, illetve az időzítések pontosságáért és megfelelő működéséért. Mint ilyeneknek, időben pontosaknak és stabilaknak kell maradniuk. „Tökéletes” oszcillátor természetesen csak elméletben létezik, ezért a tervezési szempontoknak megfelelő oszcillátor megválasztása a tervezőkre hárul. Ez nem könnyű feladat.

Az alkalmazás működési követelményeinek meghatározása után a tervezőknek meg kell találniuk azt a megoldást, amely biztosítja az egyensúlyt a teljesítmény, a költségek, a stabilitás, a méret, a teljesítményfelvétel, a fizikai felépítés és a kapcsolódó áramkörök meghajtási képessége között. Ehhez ismerniük kell az oszcillátorok működési elveit, a főbb jellemzőiket és eddigi fejlődésük útját.

Ez a cikk áttekintést nyújt a kristályoszcillátorok alapjairól, mielőtt megvizsgálná a nagy teljesítményű kristályoszcillátor-modulok alkalmazásának különböző lehetőségeit. Majd az ECS Inc. reprezentatív eszközeinek felhasználásával röviden áttekinti ezen oszcillátorok alapjait, mielőtt meghatározná az elsődleges és a másodlagos paramétereket, valamint néhány reális értéket ezen paraméterek esetében. Ugyancsak bemutatja hogyan választhatók meg az egységek úgy, hogy megfeleljenek egyes tipikus alkalmazások igényeinek.

A kristályoszcillátorok működésének alapjai

A kristályoszcillátorok biztosítják az órajelet a processzorok számára, a bitek időzítését az adatkapcsolatokhoz, a mintavételi időt az adatkonverziókhoz, valamint az alapfrekvenciát a hangolóegységekben és szintézerekben. Leegyszerűsítve: a kristályoszcillátor kvarceleme egy rendkívül nagy jósági tényezőjű (Q) rezonáns elemként működik egy oszcillátor áramkör visszacsatoló hálózatában (1. ábra). A kristályok és a velük felépített oszcillátorok fontossága miatt a kvarc anyag alapvető fizikáját, valamint elektromos és mechanikai teljesítőképességét, illetve a különféle oszcillátor áramköröket alapos kutatásnak és elemzésnek vetették alá.

Nagy jósági tényezőjű (Q), stabil és pontos rezonáns elemként működő kristály1. ábra: A piezoelektromos hatást alkalmazva a kristály nagy jósági tényezőjű (Q), stabil és pontos rezonáns elemként működik egy oszcillátor visszacsatoló áramkörében. (Kép: ECS Inc. International, módosítva)

Hosszú éveken keresztül a felhasználók határozták meg a kristály frekvenciáját és a többi fontos paramétert, majd (a kezdeti napokban) elektroncsövek, később tranzisztorok és végül IC-k használatával elkészítették saját külön oszcillátor áramkörüket. Egy-egy ilyen áramkör megtervezésekor általában gondos tervezés-elemzést, némi „művészetet” és tapasztalati úton szerzett megítélést kellett kombinálni, mivel sok egymással összefüggő finomság figyelembevételére volt szükség. A tervező megpróbálta egyensúlyba hozni ezeket a tényezőket, hogy az oszcillátor működése megfeleljen a kvarckristály „vágásának” és jellemzőinek, valamint az alkalmazás prioritásainak.

Manapság az ilyen barkácsszintű (DIY) kristályoszcillátor-tervezések viszonylag ritkák, mert az alapkoncepció kialakítása idő- és ráfordításigényes. Azután ott van az oszcillátor működési jellemzőinek pontos mérése. Ez olyan feladat, amely összetett, precíz műszereket és gondos beállítást igényel. Ehelyett számos alkalmazáshoz a tervezők megvásárolhatnak egy apró, teljesen zárt modult, amely mind a kvarc elemet, mind az oszcillátor áramkört és annak kimeneti meghajtófokozatát is tartalmazza. Ez nyilvánvalóan csökkenti a tervezési ráfordítást és időt, miközben a felhasználó egy minden tekintetben definiált egységet és egy garantált specifikációkat tartalmazó adatlapot kap.

Terminológiával kapcsolatos megjegyzés: Történelmi és egyéb okokból a mérnökök gyakran használják a „kristály” szót akkor is, amikor valójában a teljes kristályoszcillátor áramkörről van szó. Ez általában nem probléma, mert a jelentés a szövegkörnyezetből megérthető. Néha azonban zavart okozhat, mivel egy kristály továbbra is megvásárolható önálló alkatrészként, majd azzal egy külön oszcillátor áramkör létrehozható. Ebben a cikkben az „oszcillátor” kifejezés a kristályra és annak oszcillátor áramkörére mint önálló modulra és nem csak magára az oszcillátor áramkörre vonatkozik.

A kristályoszcillátorok minőségi jellemzői

Mint minden alkatrész esetben, a kristályoszcillátor működési jellemzőit is alapvetően az elsődleges paraméterek határozzák meg. Általános fontossági sorrendjükben ezek a következők:

Működési frekvencia: néhányszor tíz kHz-től több száz MHz-ig terjedhet. Az alapspektrum feletti, például a GHz-es tartományba eső frekvenciájú oszcillátorok általában fáziszárt hurkot (PLL) használnak frekvenciatöbbszörözésre az alapfrekvencia felkonvertálásához.

Frekvenciastabilitás: ez az oszcillátorok karakterisztikái közül egy második kulcsfontosságú minőségi jellemző. Ezzel van meghatározva, hogy a kimeneti frekvencia milyen mértékben tér el eredeti értékétől külső tényezők hatására, így minél kisebb ez a szám, annál jobb az oszcillátor.

A stabilitást sok külső körülmény befolyásolja, és sok gyártó külön-külön kiemeli őket, így a tervező fel tudja mérni az alkalmazásokra gyakorolt tényleges hatásukat. Ezek között a tényezők között szerepel a 25°C-on mért névleges frekvenciától való eltérés a hőmérséklet függvényében. Egyéb további tényezők az öregedéstől függő hosszú távú stabilitás, valamint a forrasztás hatása, a tápfeszültség változásai és a kimeneti terhelés ingadozása. A komolyabb képességű darabok esetében a pontosságot általában a névleges kimeneti frekvencia milliomodrészével (ppm) vagy billiomodrészével (ppb) jellemzik.

Fáziszaj és jitter: ez két, ugyanazon általános jellemzőre vonatkozó szempont. Az órajelen megjelenő zaj a frekvenciatartományban a fáziszajjal, míg az időtartományban a jitterrel jellemezhető. (2. ábra).

A jitter diagramja az időtartományban és a fáziszaj diagramja a frekvenciatartományban (kattintson a nagyításhoz)2 ábra: A jitter az időtartományban és a fáziszaj a frekvenciatartományban ugyanazon tökéletlenségek két, egyformán érvényes értelmezése. Az előnyben részesített nézet az alkalmazástól függ. (Kép: ECS Inc. International)

Az alkalmazástól függően a tervező az elsősorban az egyik vagy másik tartományban definiált hibákra fog összpontosítani. A fáziszajt általában adott fm frekvenciaeltolódás melletti 1 Hz sávszélességen belüli zaj és az fO frekvenciájú oszcillátorjel amplitúdójának arányaként határozzák meg. A fáziszaj rontja a pontosságot, a felbontást és a jel-zaj viszonyt (SNR) a frekvenciaszintézerekben (3. ábra), míg a jitter időzítési hibákat okoz és így hozzájárul a bithiba-arány (BER) növekedéséhez az adatkapcsolatoknál.

Diagram a fáziszajnak az oszcillátor teljesítményspektrumán való eloszlásáról3. ábra: A fáziszaj eloszlik az oszcillátor teljesítményspektrumán és hátrányosan befolyásolja a felbontást, illetve a jel-zaj viszonyt. (Kép: ECS Inc. International)

Az időzítési jitter mintavételi időzítési hibákat okoz az analóg/digitális átalakításban, ezért hatással van a jel-zaj viszonyra és a későbbi gyors Fourier-transzformáció (FFT) alapú frekvenciaelemzésre is.

Az ECS Inc. MultiVolt családjába tartozó standard (MV) oszcillátorai akár ±20 ppm stabilitással is kaphatók, míg a nagy stabilitású oszcillátorok (SMV) maximum ±5 ppm stabilitást kínálnak. A még szigorúbb stabilitás érdekében a MultiVolt TCXO-k ±2,5 ppm értékkel rendelkeznek HCMOS kimenetekkel és ±0,5 ppm értékkel levágott tetejű szinuszhullámot adó kimenetekkel (alább a TCXO-kat és a levágott tetejű szinuszhullámú kimenetet is bővebben ismertetjük).

Tartománytól függetlenül, a fáziszaj/jitter fontos tényező a nagy teljesítményigényű projekteknél és figyelembe kell venni őket a hibalehetőségek között, szem előtt tartva az alkalmazás igényeit. Ne feledjük, hogy sokféle jitter létezik, beleértve az abszolút, a ciklusok közötti, az integrált fázisú, a hosszú idejű és a periodikus jittert. A fáziszaj esetében különböző integrációs tartományok és típusok is léteznek, beleértve a fehér zajt és a különféle „zajszíneket”.

A jitter és a fáziszaj sajátosságainak megértése gyakran kihívást jelenthet az oszcillátorra és az alkalmazásban kifejtett hatásra nézve. Egy műszaki jellemző egyik tartományból a másik tartományra való konvertálása nem egyszerű. Ehelyett jobb, ha a felhasználók inkább áttanulmányozzák az adatlapot. Fontos tudni, hogy a viselkedés számszerűsítésekor a gyártók szakszerű, mégis egymástól eltérő definíciókat használnak, amikor ezeket a hibákat számba vesszük a hibalehetőségek között.

A kimeneti jel típusa és a kimeneti fokozat kapcsolása: ezeket a csatlakoztatott terheléshez kell igazítani (4. ábra). A kimeneti kapcsolás típusa lehet közös földpontú (single-ended) és differenciális.

Kép – különböző kimeneti formátumok állnak rendelkezésre, amelyeknek kompatibiliseknek kell lenniük4. ábra: Különböző kimeneti formátumok állnak rendelkezésre, amelyeknek kompatibiliseknek kell lenniük az oszcillátor terhelésének elrendezésével. (Kép: ECS Inc. International)

A közös földpontú kapcsolásos oszcillátorok megvalósítása könnyebb, de érzékenyebbek a zajra és jobbára általában csak néhány száz MHz-ig használhatók. Közös földpontú kapcsolásos kimenettípusok:

  • TTL (tranzisztor-tranzisztor logika): 0,4...2,4 V (manapság ritkán használják)
  • CMOS (komplementer fém-oxid félvezető): 0,5...4,5 V
  • HCMOS (nagy sebességű CMOS):              0,5...4,5 V
  • LVCMOS (alacsony feszültségű CMOS):            0,5...4,5 V

A differenciálkimenetek megtervezése nehezebb, de jobban teljesítenek a nagyfrekvenciás alkalmazásokban, mivel a differenciális vonalakon megjelenő zaj semlegesíti egymást. Ennek köszönhetően az oszcillátor jelének minősége a terhelőáramkör szempontjából fenntartható. A differenciális jeltípusok:

  • PECL (pozitív emittercsatolt logika):            3,3...4,0 V
  • LVPECL (alacsony feszültségű PECL);                            1,7...2,4 V
  • CML (áramvezérelt logika):                             0,4...1.2 V és 2,6...3,3 V
  • LVDS (alacsony feszültségű differenciális jelátvitel):       1,0...1,4 V
  • HCSL (nagy sebességű áramvezérlő logika):      0,0...0,75 V

A jeltípus megválasztását az alkalmazás prioritásai és a hozzá tartozó áramkörök határozzák meg.

Az oszcillátor kimeneti hullámformája klasszikus egyfrekvenciás szinuszhullám vagy levágott tetejű szinuszhullám lehet (5. ábra). Az analóg hullám a „legtisztább”, és a jitterre/fáziszajra legkevésbé érzékeny, szemben azzal, amikor egy komparátor áramkört használnak a négyszöghullám előállítására, mert utóbbi módszer jitter/fáziszaj hozzáadásával jár, ami rontja a jel minőségét. A levágott tetejű szinuszhullám a digitális terhelésekkel kompatibilis négyszögjelszerű kimenetet hoz létre, az oszcillátor tulajdonságainak bármilyen csorbulása nélkül.

Kép – a levágott tetejű szinuszhullám közelít a négyszögjelhez5. ábra: A levágott tetejű szinuszhullám közelít egy négyszögjelhez, minimális járulékos jitter vagy fáziszaj mellett. (Kép: ECS Inc. International)

Tápfeszültség és -áram: mindkét ezen érték lecsökkent a mai alacsony feszültségű és gyakran akkumulátoros táplálású rendszerek igényeinek kielégítése érdekében. A legtöbb MultiVolt sorozatú oszcillátor 1,8 V, 2,5 V, 3,0 V, és 3,3 V tápfeszültséggel való működésre képes.

A tokozás mérete: a működési feszültség és áram csökkenésével a tokozások is kisebbek lettek. Az iparágon belül van néhány elfogadott szabványos méret a közös földpontú kapcsolásos eszközök esetében (amelyeknél csak négy csatlakozási pontra van szükség), míg a differenciál kimenetű oszcillátorok hat érintkezővel rendelkeznek és nagyobb tokokba kerülnek, a lentebb mm-ben megadott méretekkel:

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

A dolog nagyrészt a hőmérsékletről szól

Az oszcillátor viselkedését leginkább befolyásoló és megváltoztató külső tényező a hőmérséklet. Függetlenül attól, hogy ha az oszcillátor üzemi teljesítménye alacsony és annak önmelegedése szinte elhanyagolható, a környezeti hőmérséklet akkor is kihat a működési frekvenciára, mivel ezen hőmérsékletváltozások befolyásolják a kvarckristály fizikai méreteit és feszültségeit. Fontos leellenőrizni a kiválasztott oszcillátor esetében a várható hőmérséklettartomány szélső értékeit. Ezek a tartományok általában a következők:

  • Kereskedelmi, autóipari 4. fokozat:                   0...+70°C
  • Kibővített kereskedelmi:                                   −20...+70°C
  • Ipari, autóipari 3. fokozat:                     −40...+85°C
  • Kibővített ipari, autóipari 2. fokozat:     −40...+105°C
  • Autóipari 1. fokozat:                                      −40...+125°C
  • Katonai:                                                          −55...+125°C
  • Autóipari 0. fokozat:                                      −40...+150°C

Egyes esetekben nem csak a hőmérséklettől függő működés a szempont, hanem más megbízhatósági előírásoknak is meg kell felelni. Az ECS-2016MVQ például egy miniatűr, felületszerelt MultiVolt HCMOS-kimenetű oszcillátor 1,7...3,6 V-on történő működésre (6. ábra). A 2016-os (2,0 mm × 1,6 mm méretű, lásd fent) kerámia tok 0,85 mm magas, durvább környezetű ipari alkalmazásokat céloz meg és 1. fokozatú hőmérsékleti követelményeknek megfelelő AEC-Q200 (autóipari) minősítéssel rendelkezik. 1,5 és 54 MHz közötti frekvenciákra érhető el, négyféle frekvenciastabilitással, ± 20 ppm és ± 100 ppm között, -40°C és + 85°C közötti hőmérséklet-tartományon belüli használatra. Fázisjittere nagyon kicsi, mindössze 1 ps, 12 kHz és 5 MHz között mérve.

Kép – az 1,5...54 MHz frekvenciákra használható ECS ECS-2016MVQ6. ábra: Az ECS-2016MVQ 1,5 és 54 MHz közötti frekvenciákra érhető el, négyféle frekvenciastabilitással ±20 ppm és ±100 ppm között. (Kép: ECS Inc. International)

Azokban az alkalmazásokban, ahol az üzemi tartományon belüli frekvenciavándorlás (drift) szinte elfogadhatatlan, két modern oszcillátor áll rendelkezésre: a hőkompenzált kristályoszcillátor (TCXO) és a hőstabilizált kristályoszcillátor (OCXO). (Itt jegyezzük meg, hogy sok kapcsolási rajzon a kristályok jelölése „XTAL”, és a fenti mozaikszavakban ennek a rövidítése az „X”.) A TCXO egy aktív áramkört használ arra, hogy kompenzálja a kimeneti frekvenciának a hőmérséklet-változás okozta módosulását. Ezzel szemben az OCXO-ban a kristályoszcillátort egy hőszigetelt és fűtött „kályhába” helyezik, és amelyet a maximális környezeti hőmérséklet feletti állandó hőmérsékleten tartanak (a csak fűtésre alkalmas „kályha” nem tud lehűlni a környezeti hőmérséklet alá).

A TCXO-k esetében további áramkörök használatára van szükség mint egy alapvető oszcillátornál, de jóval kevesebb energiát fogyasztanak az OCXO-nál az annak általában több wattnyi teljesítményt igénylő „kályhája” miatt. Ezen kívül a TCXO-k csak kicsivel nagyobbak a nem kompenzált egységeknél, és sokkal kisebbek az OCXO-nál. A TCXO-k tipikusan 10-40-szeresen jobbak a frekvenciavándorlást tekintve a nem kompenzált egységnél, míg az OXCO-k esetében ez még két nagyságrenddel jobb, de jelentős áldozattal a méretet és teljesítményfelvételt tekintve.

Az ECS-TXO-32CSMV egy levágott tetejű szinuszhullámot adó, MultiVolt képességű (1,7...3,465 V tápfeszültségű) felületszerelt TCXO, 10 és 52 MHz közötti frekvenciákra (7. ábra). A 3,2 × 2,5 × 1,2 mm méretű kerámia tok igen alkalmas hordozható és vezeték nélküli alkalmazásokhoz, ahol a stabilitás kritikus szempont. A legfontosabb specifikációkból látható, hogy az eszköz rendkívül nagy stabilitással rendelkezik a hőmérséklet, a tápfeszültség változása, a terhelés változása és az öregedés függvényében, mindezt szerény, 2 mA alatti áramigény mellett (1. táblázat).

Kép – a levágott tetejű szinuszhullámot adó ECS ECS-TXO-32CSMV kristályoszcillátor7. ábra: Az ECS-TXO-32CSMV egy levágott tetejű szinuszhullám kimenetű kristályoszcillátor, amely belső kompenzációs áramkört tartalmaz a stabilitás jelentős javítása érdekében. (Kép: ECS Inc. International)

Táblázat – a hőmérséklet-kompenzált ECS ECS-TXO-32CSMV TXCO műszaki jellemzői1. táblázat: A hőmérséklet-kompenzált ECS ECS-TXO-32CSMV TXCO specifikációiból látható, hogy a belső kompenzáció hogyan javítja a stabilitást a számos külső zavar ellenére. (Kép: ECS Inc. International)

Gyakran prioritás a kis fogyasztású működés

Az egyre magasabb frekvenciájú processzor-órajelek és adatsebességek irányába mutató tendenciák ellenére továbbra is nagy szükség van alacsonyabb frekvenciájú kristályoszcillátorokra az időzítéshez a rendkívül kis fogyasztású alkalmazásokban. Az ECS-327MVATX például egy miniatűr felületszerelt oszcillátor, amely fix 32,768 kHz frekvencián működik és MultiVolt (1,6...3,6 V) képességgel rendelkezik. Mindössze 200 µA áramfelvételével és single-ended CMOS kimenetével kiválóan használható valós idejű órajel (RTC) forrásaként kis fogyasztású/hordozható, ipari és dolgok internetéhez (IoT) kötődő alkalmazásokhoz. Méreteit tekintve 2016...7050 jelű tokozásban, a -40°C és + 85°C közötti hőmérséklet-tartományban modelltől függően a szoros ±20 ppm-től a kissé lazább ±100 ppm-ig terjedő frekvenciastabilitással kapható.

Az átlagos energiafogyasztás minimalizálása érdekében számos oszcillátor engedélyezési/letiltási funkcióval is rendelkezik. Az ECS-5032MV például egy 125 MHz-es felületszerelt, MultiVolt képességű 1,6...3,6 V feszültségről működő CMOS kimenetű oszcillátor 5032-es kerámia tokban (8. ábra).

Kép – az ECS ECS-5032MV 125 MHz-es felületszerelt oszcillátor8. ábra: Az ECS-5032MV egy 125 MHz-es felületszerelt oszcillátor engedélyezési/letiltási funkcióval, amely segíthet az energiamegtakarításban. (Kép: ECS Inc. International)

Négy kivezetésének egyike lehetővé teszi az oszcillátor készenléti üzemmódba állítását, ezzel a 36 mA aktív értékről mindössze 10 µA készenléti értékre csökkentve a szükséges áramot. A feléledési idő 5 ms az egység újraengedélyezése után.

A specifikációk összehangolása az alkalmazással

Az alkalmazáshoz megfelelő kristályoszcillátor kiválasztása a várakozásoknak megfelelően a specifikációknak, a prioritásoknak, a költségeknek és azok relatív fontosságának összehangolásával jár. Ez többet jelent annál, hogy a tervező egyszerűen kiválasztja a kívánt névleges frekvenciával, frekvenciastabilitással, jitterrel/fáziszajjal és egyéb tulajdonságokkal rendelkező önálló oszcillátort, hanem arról is gondoskodnia kell, hogy az oszcillátor kimenete kompatibilis legyen a kapcsolódó terheléssel és rendszerrel, hogy a párosítás ne rontsa a teljesítményt. Miközben sok ilyen szempont van, néhány irányelv általánosnak mondható:

  • Egy LVDS kimenet csak egyetlen ellenállást igényel a vételi oldalon, miközben az LVPECL-hez az adási és vételi oldalon is lezárásra van szükség.
  • Az LVDS, LVPECL és HCSL gyorsabb átmenetekkel rendelkeznek, mint a CMOS, de több áramot igényelnek és jobban használhatók nagyfrekvenciás projektekhez.
  • 150 MHz felett a legkisebb fogyasztáshoz a CMOS vagy az LVDS a legjobb választás.
  • Jitter szempontjából az LVPECL, LVDS és a CMOS rendelkezik a legjobb teljesítőképességgel alacsonyabb frekvenciákon.

Összegzés

A kvarcoszcillátor számos áramkör és rendszer szívének tekinthető. Annak biztosításához, hogy az oszcillátor működése megfeleljen az alkalmazás követelményeinek, gondos egyensúlyt kell kialakítani a legfontosabb paramétereket illetően: a névleges frekvenciapontosságtól kezdve a stabilitásnak a hőmérséklettől és egyéb tényezőktől, például a jittertől és a fáziszajtól való függéséig. Az oszcillátor kimenetét szintén hozzá kell illeszteni a terhelőáramkör jellemzőihez. Az ECS MultiVolt család kristályoszcillátorai a specifikációk kombinációi révén nyújtanak kiváló működést komplett, könnyen használható modulokban.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Bill Schweber

Bill Schweber is an electronics engineer who has written three textbooks on electronic communications systems, as well as hundreds of technical articles, opinion columns, and product features. In past roles, he worked as a technical web-site manager for multiple topic-specific sites for EE Times, as well as both the Executive Editor and Analog Editor at EDN.

At Analog Devices, Inc. (a leading vendor of analog and mixed-signal ICs), Bill was in marketing communications (public relations); as a result, he has been on both sides of the technical PR function, presenting company products, stories, and messages to the media and also as the recipient of these.

Prior to the MarCom role at Analog, Bill was associate editor of their respected technical journal, and also worked in their product marketing and applications engineering groups. Before those roles, Bill was at Instron Corp., doing hands-on analog- and power-circuit design and systems integration for materials-testing machine controls.

He has an MSEE (Univ. of Mass) and BSEE (Columbia Univ.), is a Registered Professional Engineer, and holds an Advanced Class amateur radio license. Bill has also planned, written, and presented on-line courses on a variety of engineering topics, including MOSFET basics, ADC selection, and driving LEDs.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors