Ismerje meg a kristályoszcillátorok paramétereit az optimális alkatrészkiválasztás érdekében

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.

1. 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).

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 f_m frekvenciaeltolódás melletti 1 Hz sávszélességen belüli zaj és az f_O 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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).

7. 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)

1. 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).

8. 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.