Kredsløbstiming er en kritisk funktion, der kræves af mange elektroniske enheder, herunder mikrocontrollere, USB, Ethernet, Wi-Fi og Bluetooth-grænseflader, såvel som computerenheder og perifere enheder, medicinsk udstyr, test- og måleudstyr, industriel kontrol og automatisering, tingenes internet (IoT), bærbare enheder og forbrugerelektronik. Selvom design af en krystal-styret oscillator til at give systemtiming i første omgang kan virke ligetil, skal designere overveje adskillige parametre og designkrav, når de matcher kvartskrystallen med oscillatorens IC.
Der er flere faktorer at overveje, herunder krystalbevægelsesimpedans, resonanstilstand, drivkraft og oscillator negativ modstand. Med hensyn til kredsløbslayout skal designere tage højde for PCB-parasitisk kapacitans, tilføje et beskyttelsesbånd rundt om krystallen og inkorporere-chipkondensatorer. Det endelige design skal være kompakt og pålideligt med de færreste komponenter, lav RMS-jitter og minimalt strømforbrug over et bredt indgangsspændingsområde.
En simpel emballeret krystaloscillator (SPXO) er en løsning. Disse kontinuerlige spændingsoscillatorer er optimeret til lavt strømforbrug og lavt RMS-jitter og kan fungere ved enhver spænding mellem 1,60 V og 3,60 V, hvilket gør det muligt for designere at opnå en løsning, der kan integreres i systemet med minimal designindsats.
Denne artikel vil kort diskutere nogle af de vigtige ydeevnekrav, der skal opfyldes, og designudfordringer, der skal overvindes, når man designer timingkredsløb ved hjælp af diskrete kvartskrystaller og timing-IC'er. Den vil derefter introducere Abracons SPXO-løsninger og forklare, hvordan designere kan bruge disse enheder til effektivt at opfylde tidskravene til elektroniske systemer.
Krystaloscillatordrift og designudfordringer
Strømforbrug er en kritisk overvejelse for små batteridrevne-trådløse enheder. Mange sådanne enheder er baseret på ultra-lavt-strømsystem-på-chip-radioer og -processorer, der kan understøtte batterilevetid, der strækker sig over flere år. Da batteriet desuden ofte er den dyreste komponent i systemet, er det afgørende at minimere dets størrelse for at kontrollere enhedsomkostningerne. Når det er sagt, er standby-strøm ofte den mest kritiske overvejelse af batterilevetid i små trådløse systemer, og standby-strøm er ofte domineret af uroscillatoren. Derfor er det afgørende at minimere strømforbruget af oscillatoren.
Desværre kan det være en udfordring at designe en lav-effektoscillator. En metode til at spare energi er at minimere standby-strømmen ved at gå ind i en "deaktiveret" tilstand og starte oscillatoren, når det er nødvendigt. Det er dog ingen nem opgave at kræve, at en krystaloscillator starter hurtigt og pålideligt. Designere skal sikre, at oscillatoren forbliver i en lav-strømtilstand under standby og har pålidelige opstartsegenskaber under alle drifts- og miljøforhold.
Pierce-oscillatorkonfigurationen findes almindeligvis i trådløse SoC'er med lav-effekt (figur 1). Pierce-oscillatoren er konstrueret ved hjælp af en krystal (X) og belastningskondensatorer (C1 og C2), omgivet af en inverterende forstærker med en intern feedback-modstand. Under passende forhold, når forstærkerens output føres tilbage til indgangen, genereres en negativ modstand, hvilket fører til oscillation.
Figur 1: Grundlæggende Pierce-oscillatorkonfiguration bygget op omkring krystal (X) og belastningskondensatorer C1 og C2.
Krystalstrukturen er kompleks; denne diskussion dækker kun det øverste lag og den forenklede struktur af krystaller, der opererer i oscillatorer.
Forstærkningsmargin Gm for lukket-sløjfe kan bruges som et værdital (FOM) til at beskrive pålideligheden af en oscillator i forhold til forskellige tab. Forstærkningsmargin for lukket-sløjfe omtales også som oscillationsmargin (OA). En OA-værdi under 5 kan føre til lavt produktionsgennemløb og temperaturrelaterede-opstartsproblemer. Designs med en OA-værdi på 20 eller højere er robuste og holdbare, fungerer pålideligt inden for designets driftstemperaturområde og udviser minimal indvirkning fra forskellige produktionsbatcher på krystal- og SoC-ydelseskarakteristika.
For at måle oscillatorens OA kan en variabel modstand Ra tilføjes til kredsløbet (figur 2). Forøg Ra-værdien, indtil oscillatoren ikke starter. Dette er den metode, der bruges til at bestemme OA-værdien, som vist nedenfor:
Ligning 1
Hvor:
Rn er den negative modstand
Re er den ækvivalente seriemodstand (ESR).
Ligning 2
Ligning 3
Hvor belastningskapacitansen CL beregnes som følger:
Ligning 4
hvor Cs er kredsløbets variable kondensator, med en kapacitansværdi typisk mellem 3,0 og 5,0 pF.
Figur 2: Viser den udvidede krystalmodel (midterboks) og den justerbare modstand (Ra), der bruges til at måle oscillationsmarginen.
OA afhænger af ESR (Re), og ESR afhænger af kvartskrystalparametrene Rm og belastningskapacitans CL. For lav-effektoscillatorer, såsom dem, der bruges i trådløse enheder med lav-effekt, øges indflydelsen af Rm og CL på OA. Måling af OA er tidskrævende-og kan forlænge udviklingsprocessen. Derfor kan denne opgave blive forsømt, hvilket fører til ydeevneproblemer, når systemet eller enheden sættes i produktion.
Derudover kan indstilling af en høj OA for at sikre pålidelig oscillatordrift forårsage andre problemer. For eksempel, mens en højere OA forbedrer oscillatorkredsløbets ydeevne, kan den overse effekttab forårsaget af krystallen. Sådanne tab kan være en væsentlig faktor. Idet der henvises til figur 2, forårsager krystallens bevægelsesmodstand Rm effekttab, da strømmen løber periodisk gennem modstanden. Når CL er stor, øger det både strøm og tab. Derfor skal designere afbalancere krystaleffekttab med en rimelig OA-værdi.
Undgå jitter
Når man designer en kvartskrystaloscillator, er det vigtigt at forstå og reducere jitter. Jitter har to typer, typisk målt ved root mean square (RMS) værdien:
Periodejitter: Også kendt som fasejitter, dette refererer til den maksimale tidsforskel mellem flere målte oscillationsperioder, typisk målt over mindst 10 perioder.
Cycle jitter: Dette er den maksimale variation i en clock edge, målt for hver cyklus i stedet for flere cyklusser.
De primære kilder til jitter i kvartskrystaloscillatorer omfatter strømforsyningsstøj, heltalsovertoner i signalfrekvensen, ukorrekte belastnings- og afslutningsforhold, forstærkerstøj og visse kredsløbskonfigurationer. Afhængigt af kilden kan forskellige metoder bruges til at minimere jitter.
Brug bypass-kondensatorer, chipinduktorer eller modstands-kondensatorfiltre (RC) til at kontrollere strømforsyningsstøj.
I kritiske applikationer, der kræver ekstremt lavt jitter, er det afgørende at etablere en metode til at styre harmoniske (ud over omfanget af denne artikel).
Reducer den effekt, der reflekteres tilbage til outputtet ved at optimere belastnings- og termineringsbetingelser.
Undgå design, der inkluderer fase-låste sløjfer, multiplikatorer eller programmerbare funktioner, da de ofte øger jitter.
Kontinuerlig spænding krystaloscillatorer
Brug af Abracons ASADV, ASDDV og ASEDV SPXO'er er fordelagtigt til at designe systemer, hvor forspændingen varierer mellem 1,60 og 3,60 V (figur 3). SPXO-serien dækker forskellige frekvensområder; ASADV-enheder fungerer ved frekvenser fra 1,25 MHz til 100 MHz, mens ASDDV- og ASEDV-enhederne fungerer fra 1 MHz til 160 MHz. Serien overholder RoHS/RoHS II-standarder og bruger forseglet keramisk overflade-monteret enhedsemballage (SMD). Inden for driftstemperaturområdet fra -40 grader til +85 grader opnår serien en frekvensstabilitet på ±25 ppm.
OA afhænger af ESR (Re), og ESR afhænger af kvartskrystalparametrene Rm og belastningskapacitans CL. For lav-effektoscillatorer, såsom dem, der bruges i trådløse enheder med lav-effekt, øges indflydelsen af Rm og CL på OA. Måling af OA er tidskrævende-og kan forlænge udviklingsprocessen. Derfor kan denne opgave blive forsømt, hvilket fører til ydeevneproblemer, når systemet eller enheden sættes i produktion.
Derudover kan indstilling af en høj OA for at sikre pålidelig oscillatordrift forårsage andre problemer. For eksempel, mens en højere OA forbedrer oscillatorkredsløbets ydeevne, kan den overse effekttab forårsaget af krystallen. Sådanne tab kan være en væsentlig faktor. Idet der henvises til figur 2, forårsager krystallens bevægelsesmodstand Rm effekttab, da strømmen løber periodisk gennem modstanden. Når CL er stor, øger det både strøm og tab. Derfor skal designere afbalancere krystaleffekttab med en rimelig OA-værdi.
Undgå jitter
Når man designer en kvartskrystaloscillator, er det vigtigt at forstå og reducere jitter. Jitter har to typer, typisk målt ved root mean square (RMS) værdien:
Periodejitter: Også kendt som fasejitter, dette refererer til den maksimale tidsforskel mellem flere målte oscillationsperioder, typisk målt over mindst 10 perioder.
Cycle jitter: Dette er den maksimale variation i en clock edge, målt for hver cyklus i stedet for flere cyklusser.
De primære kilder til jitter i kvartskrystaloscillatorer omfatter strømforsyningsstøj, heltalsovertoner i signalfrekvensen, ukorrekte belastnings- og afslutningsforhold, forstærkerstøj og visse kredsløbskonfigurationer. Afhængigt af kilden kan forskellige metoder bruges til at minimere jitter.
Brug bypass-kondensatorer, chipinduktorer eller modstands-kondensatorfiltre (RC) til at kontrollere strømforsyningsstøj.
I kritiske applikationer, der kræver ekstremt lavt jitter, er det afgørende at etablere en metode til at styre harmoniske (ud over omfanget af denne artikel).
Reducer den effekt, der reflekteres tilbage til outputtet ved at optimere belastnings- og termineringsbetingelser.
Undgå design, der inkluderer fase-låste sløjfer, multiplikatorer eller programmerbare funktioner, da de ofte øger jitter.
Oversigt
Designere kræver nøjagtige og pålidelige oscillatorer for at give stabil timing på tværs af en lang række applikationer og driftstemperaturer. Diskrete krystal-kontrollerede oscillatorer kan opfylde de påkrævede ydeevnekarakteristika, men det er teknisk udfordrende at designe effektivt ved hjælp af krystaller, hvilket er tidskrævende-og resulterer i unødvendige omkostninger. Derudover er de ikke det optimale valg med hensyn til formfaktor.
Som vist på figuren kan designere bruge-indbyggede SPXO'er med lav effekt. Disse SPXO'er danner en klar-til-timingsløsning, der opnår fremragende frekvensstabilitet over et meget bredt driftstemperaturområde. Ved at bruge SPXO'er kan designere reducere antallet af komponenter, minimere løsningsstørrelsen, sænke montageomkostningerne og øge pålideligheden.