Så här väljer du och tillämpar en oscillator effektivt

Framväxten av synkrona digitala system gjorde den blygsamma oscillatorn till hjärtat i moderna mikroprocessorbaserade digitala system. Dess tusentals tillämpningar har gett upphov till ett oerhört brett urval av oscillatorkällor och konfigurationer med förgrenade resonatorstrukturer.

Valet av oscillator görs ofta förhastat utan god förståelse för dess användning på grund av ett stort urval av resonatorer, många olika interna förstärkare och flera olika temperaturstabiliseringssystem. Allt detta påverkar enhetens storlek, precision, stabilitet och kostnad samt hur dessa ska tillämpas i en utformning.

Den här artikeln hjälper konstruktörer att förstå oscillatorernas funktion och struktur bättre samt beskriver deras kritiska specifikationer och hur de lever upp till en konstruktörs krav.

PÅ vägen undersöks utgående vågformer, frekvensprecision och stabilitet, fasbrus, skakningar, belastnings- och temperaturvariation samt kostnader tillsammans med hur oscillatorer kan användas för att få till framgångsrika konstruktioner.

Oscillatorgrunder

Oscillatorer är elektroniska kretsar som genererar periodiska vågformer med önskad frekvens. Ett funktionsblockdiagram över en generisk oscillator innehåller en förstärkare och en återkopplingsväg med ett frekvensselektivt återkopplingsnätverk (figur 1). Oscillationen kan initieras och bibehållas om slingförstärkningen är lika med eller högre än enheten vid den önskade svängningsfrekvensen, samtidigt som fasförskjutningen runt slingan är lika med en multipel av 2p radianer. Det här är ett positivt återkopplingsvillkor.

Det frekvensberoende nätverket kan vara ett nätverk med induktorkondensator (LC) eller resistorkondensator (RC), men precisionsoscillatorer använder normalt en resonator. Valet av resonatortyp är en av de specifikationer som måste övervägas noga eftersom varje typ har sina egna styrkor och svagheter.

Figur 1: Funktionsdiagram över en grundläggande oscillator som består av en förstärkare med ett frekvensselektivt nätverk eller resonator i en positiv återkopplingskonfiguration. (Bildkälla: DigiKey)

Vanliga resonatortyper är kvartskristall, akustiska ytvågsfilter (SAW) eller mikroelektromekaniska system (MEMS).

När den här typen av oscillator först slås på består den enda signalen i kretsen av brus. Brus med en frekvens som uppfyller förstärknings- och fasstatusarna för oscillation cirkuleras i kretsslingan med ökande amplitud på grund av kretsens positiva återkoppling. Signalamplituden ökar tills den begränsas av förstärkaregenskaperna eller genom en extern automatisk förstärkningsregleringsenhet (AGC). Oscillatorutsignalens vågform kan styras vid den här punkten och de vanliga gemensamma vågformsvalen är sinusvåg, kapad sinusvåg eller logiska (”0” eller ”1”) utsignaler. Om logiska utsignaler väljs måste även en logisk familj (HCMOS, TTL, ECL, LVDS…) väljas.

Sinusvågsignaler används främst i bärvågsgenerering och lokal oscillatorsignalgenerering i kommunikationsrelaterade tillämpningar där spektral renhet är väsentligt. Sinusvågformen har betydande effekt endast vid grundtonsfrekvensen och liten eller ingen effekt vid harmoniska frekvenser.

Huvudspecifikationen för oscillatorer är frekvensstabiliteten som avgör hur exakt oscillatorn håller sin frekvens. En förknippad specifikation är åldrande som anger förskjutningen i oscillatorns frekvens under en längre period, normalt ett år. I takt med att tillämpningarnas hastighet ökar blir den kortsiktiga variationen i oscillatorns fas en viktig fråga. Den här kortsiktiga fasvariationen kallas oscillatorns fasbrus. Fasbruset är en specifikation för frekvensdomänen. Motsvarande tidsdomänspecifikation är fasjitter eller tidsintervallfel.

Resonatorer

Återkopplingsnätverket i basoscillatorn kan bestå av flera olika resonansstrukturer. Den mest förekommande är kvartskristall. Kvartskristallresonatorer använder den piezoelektriska effekten. Låg spänning som tillämpas över ett kristallmaterial får det att deformeras och kraften som tillförs kristallmaterialet skapar elektrisk laddning. Den här serien av elektromekaniskt utbyte utgör basen för en mycket stabil oscillator. Den här effekten skapar svängningar med specifika frekvenser som beror på typen av kristall, den geometriska riktningen som kristallen har skurits med och dess dimensioner.

Kristallerna hålls mellan två elektroder som bildar kristallresonatorns in- och utgång. Under dessa förhållanden fungerar kristallen som en mycket selektiv LC-krets (figur 2). Observera att kristallen i sin hållare representeras av en seriekopplad RLC-krets, som representerar dess serieresonanta frekvens som domineras av modellkomponenterna L_S och C_S. Den parallellanslutna kondensatorn representerar kapacitansen hos hållaren och det förknippade kablaget. Parallellkapacitansen C_P reagerar med serieinduktansen L_S vilket ger en parallellresonant frekvens. Under drift dominerar serieresonansen resonatorfunktionen. Kristallens grundtonsfrekvenser ligger i ett område från kilohertz (kHz) upp till cirka 200 megahertz (MHz).

Figur 2: Motsvarande kretsmodell för en kvartskristall Modellkomponent L_S och C_S avgör den serieresonanta frekvensen, medan L_S, C_S och C_P avgör parallellresonansen. (Bildkälla: DigiKey)

En annan vanlig resonatortyp är akustiska ytvågsfilterenheter (SAW) (figur 3).

Figur 3: Ett SAW-filter/en resonator använder interdigitala transduktorer som monteras på ett piezoelektriskt substrat för att generera akustiska ytvågor över avståndet mellan transduktorerna och skapar ett frekvensberoende svar vid utgången. (Bildkälla: DigiKey)

SAW-filtret är en frekvensselektiv enhet som använder en akustisk ytvåg som sprider sig längs ytan på ett elastiskt substrat. SAW-enheter genereras och känns av med interdigitala transduktorer (IDT) som bildas av ledande banor på substratet enligt figuren. SAW-filter/resonatorer arbetar med ett frekvensområde från 10 MHz till 2 gigahertz (GHz). Frekvensen beror på IDT-elementens dimension och substratmaterialets egenskaper. Kretsmodellerna för en SAW-enhet liknar dem hos en kvartskristall. SAW-resonatorer kan tillverkas kostnadseffektivt med fotolitografi i små paket till låg kostnad. Dessa oscillatorer kallas SAW-oscillatorer eller SO-enheter.

Den sista resonatortekniken vi tar upp här bygger på mikroelektromekaniska system (MEMS). MEMS använder standardtillverkningsprocesser för halvledare för att skapa mekaniska miniatyrelement. Enheternas storlekar kan variera från micron till millimeter. Resonatorer, som kan jämföras med högfrekventa stämgafflar, är utformade för att vibrera under elektrostatisk excitering. Dessa resonatorers insatsstrukturer kombineras med en programmerbar oscillator/kontroller-IC (figur 4).

Figur 4: En MEMS-oscillatormodul kombinerar en MEMS mekanisk struktur med en oscillator/kontroller-IC i ett enda paket. (Bildkälla: SiTime)

Oscillatorn/drivkretsen exciterar MEMS-strukturen och matar dess utsignal till en fraktionerad N-fas låst slinga (PLL) som multiplicerar utgångsfrekvensen från MEMS-enheten med en programmerbar faktor N. Engångs-PROM-minnet- (OTP) lagar modulens konfigurationsparametrar. Temperaturkompensation uppnås genom att justera utgångsfrekvensen i PLL. PLL kan också programmeras och ge oscillatorn en digitalt styrd frekvensutsignal.

Den största fördelen med MEMS-oscillatorn är dess motståndskraft mot mekaniska stötar och vibrationer. Det här är en viktig faktor i mobila tillämpningar som mobiltelefoner, kameror och klockor.

Oscillatorkretstyper

Kretstopologin i modulära oscillatorer har utvecklats under många årtionden och det finns många tillgängliga tekniker idag. I de flesta fall har kretsförbättringarna gjorts för att förbättra precisionen och stabiliteten hos oscillatorns utgångsfrekvens. Exemplen i föregående stycke inkluderade de icke kvartsbaserade SAW- och MEMS-oscillatorerna. Teknikerna som tillämpas på kvartsoscillatorer kan även tillämpas på alla typer av oscillatorer. Oscillatorerna är alla klassade för en lastkapacitans på 15 picofarad (pF). Variationer i lastkapacitans påverkar driftfrekvensen.

Jämförelsegrunden för dessa topologier är den bara kvartskristalloscillatorn (XO) (figur 5). Det här exemplet implementeras med logikgrindar och inkluderar en varaktordiod för att möjliggöra inställning. Dessa enkla oscillatorer har en frekvensstabilitet i storleksordningen 20 till 100 ppm.

Figur 5: En baskristalloscillator som implementeras med logiska växelriktare har ett möjlighet till spänningskontroll via en varaktordiod som seriekopplas med kvartskristallen. (Bildkälla: DigiKey)

Abracon ASV-10.000MHZ-LCS-T är en ytmonterad kristallklockoscillator. Den har en digital utgång med HCMOS-logiknivå. Den stora fördelen med oscillatorer av den här typen är den låga kostnaden. Deras frekvensstabilitet är ± 50 ppm, men andra enheter i den här oscillatorfamiljen har stabilitetsspecifikationer från 20 till 100 ppm. Den största källan till frekvensförskjutning är temperaturförändringar. En annan källa är kristallåldring eller frekvensändring med tiden. Åldringstakten är proportionell mot basstabiliteten. När det gäller den här oscillatorn är åldringstakten ±5 ppm per år. XO-enheter passar för allmänna tillämpningar som inte kräver hög frekvensstabilitet. Sådana tillämpningar inkluderar en klockkälla för en mikroprocessor.

Den temperaturkompenserade kristalloscillatorn eller TCXO lägger till kretselement för att kompensera för temperaturrelaterade variationer hos kvartsresonatorn och förstärkaren (figur 6).

Figur 6: Kvartsresonatorn och förstärkaren är temperaturkänsliga, så TCXO lägger till en temperatursensor och ett temperaturkompensationsnätverk för att korrigera frekvensförskjutning. (Bildkälla: DigiKey)

En temperaturgivare som en termistor används för att utveckla en korrigeringsspännig som tillämpas genom ett lämpligt nätverk till en spänningsvariabel varaktordiod som seriekopplas med kristallen för att styra frekvensen. Det fungerar genom att ändra kvartskristallens kapacitiva belastning. En förbättring på tjugo gånger eller mer i frekvensstabilitet kan uppnås med temperaturkompensation.

Abracon ASTX-H12-10.000MHZ-T är en typisk TCXO med HCMOS-utnivå och frekvensstabilitetsspecifikation på ±2 ppm. Kostnaden är cirka tre gånger så hög som för en bas-XO.

En annan möjlighet till temperaturstabilisering är att innesluta oscillatormodulen i en temperaturstyrd ugn (figur 7). Den här topologin kallas den ugnsstyrda kristalloscillatorn (OCXO).

Figur 7: OCXO stabiliserar oscillatorns temperatur genom att innesluta den i en ugn som håller en temperatur som matchar temperaturen där kristallens frekvens/temperaturkurva har lutningen noll. (Bildkälla: DigiKey)

Kristallens oscillator är innesluten i en temperaturstyrd ugn. Ugnstemperaturen är inställd på ett värde där kristallens frekvens/temperaturkurva har lutningen noll så att små temperaturförändringar leder till begränsad eller ingen förändring av oscillatorns frekvens. OCXO kan förbättra oscillatorns stabilitet med över tusen gånger. Oscillatorer av den här typen krävs i tillämpningar som kräver precis timing som navigationssystem eller höghastighetsseriedatakommunikation.

Connor-Winfield DOC050F-010.0M är en OCXO med LVCMOS-utgångsnivåer. Den har en specificerad frekvensstabilitet på ±0,05 ppm. Denna förbättrade prestanda medför högre strömförbrukning på grund av ugnen, större storlek och högre kostnad (cirka 30 till 40 gånger högre än XO) i förhållande till baskristalloscillatorer.

MEMS-oscillatorn som diskuterats tidigare är ett exempel på digitalt styrda oscillatorer (DCXO).

SiTime SIT3907AC-23-18NH-12.000000X är en MEMS-baserad DCXO med en LVCMOS-logikutgång och 10 ppm frekvensstabilitet. Den har möjlighet att programmera en frekvensförändring med sin interna PLL med områden på ±25 till ±1600 ppm.

En mikrodatorstyrd kristalloscillator (MCXO) har en frekvensstabilitet som motsvarar OCXO vid lägre storlek och lägre strömkrav. MCXO-enheter stabiliserar sina utgångsfrekvenser med två olika metoder. Den första är att källoscillatorn körs på en högre frekvens än den önskade uteffekten och använder pulsradering för att uppnå den önskade utgångsfrekvensen. Den andra metoden är att kära den interna källoscillatorn strax under den önskade utgångsfrekvensen och lägga till en korrigeringsfrekvens som genereras av en intern direkt digital syntetiserare (DDS) till källutgångsfrekvensen.

IQD Frequency Products LFMCXO064078BULK är en MCXO som är HCMOS-kompatibel med en frekvensstabilitet på 0,05 ppm. Produktfamiljen innehåller oscillatorer med fasta nyckelfrekvenser mellan 10 och 50 MHz. Dess fysiska volym är endast 88 mm³ och kräver endast 10 milliampere (mA) vid 3,3 volt, för en total strömförbrukning på 33 milliwatt (mW).

Vissa tillämpningar kräver att en oscillators frekvens justeras. Det kan göras antingen digitalt eller via analog styrning. Analog styrning uppnås med en spänningsstyrd kristalloscillator (VCXO). Figur 5 visar hur en oscillator kan ställas in genom att tillföra spänning till en varaktordiod i serie med resonatorn och växla dess frekvens genom att ändra belastningskapacitansen. Det här är den underliggande principen för VCXO.

Integrated Device Technology Incs XLH53V010.000000I är ett exempel på en VCXO som ger HCMOS-utgångsnivåer och en frekvensstabilitet på ±50 ppm. Dragområdet för en VCXO anger den maximala frekvensförskjutningen som kan uppnås genom att variera kontrollspänningen. Den här oscillatorn har ett dragområde på ±50 ppm. För den nominella utgångsfrekvensen 10 MHz är dragområdet ±500 Hz.

SAW-oscillatorn som beskrivs i avsnittet om resonatorer är en annan kostnadseffektiv oscillator med hög tillförlitlighet. EPSON XG-1000CA 100.0000M-EBL3 är ett exempel på en SO. Dessa enheter används i tillämpningar med fast frekvens som fjärrkontrollsändare. De ger bra stabilitets- och jitterspecifikationer, men den största fördelen är tillförlitligheten.

Matcha oscillatorer och tillämpningar

I allmänhet kräver tillämpningar med oscillatorer som precisionstidsbas enheter med bättre frekvensstabilitet. I det fallet är GPS-relaterade tillämpningar väl anpassade för OCXO- eller MCXO-baserade oscillatorer. I fall där isolering mot stötar och vibrationer är ett krav är en SO-oscillator det bästa valet. Att klocka höghastighetsseriegränssnitt kräver lågt tidsjitter. Kostnaden är en faktor i alla konstruktioner och varierar normalt med graden av frekvensstabilitet som erbjuds. Andra faktorer som storlek eller effektkrav är enhetsberoende baserat på den teknik som används. De kan kräva tekniska kompromisser. En jämförelse av nyckelspecifikationerna för de oscillatorer som tagits upp i den här artikeln för att hjälpa till att fokusera på deras enskilda egenskaper och fördelar finns i tabell 1.

Anmärkningar:

1. Beräknat fasbuller
2. Start/stationärt tillstånd

Tabell 1: Typiska parametrar för att jämföra olika oscillatorer. Varje parameter har valts utifrån konstruktionskrav och andra faktorer som kostnad och tillgänglighet vid konstruktionstidpunkten. (Tabellkälla: DigiKey)

Oscillatorerna i tabellen har ordnats efter frekvensstabilitet. Observera att specifika utgångsfrekvenser har använts i artikeln, men att alla dessa oscillatorer erbjuder ett område av utgångsfrekvenser inom varje modellserie.

Slutsatser

God förståelse för oscillatorkonstruktion och drift ger konstruktörerna stor hjälp i att göra rätt val för deras tillämpningskrav. Som alltid innefattar valet av oscillator för ett konstruktionsprojekt tekniska kompromisser som innefattar kostnad, effekt, utrymme, stabilitet och precision, men utbudet av oscillatorer som är tillgängligt idag minimerar kompromisserna med färdiga lösningar.