Hur man enkelt och kostnadseffektivt kan uppfylla tidskraven för kretsar med låg effekt med hjälp av SPXO:er

Tidsstyrning i en krets är en viktig funktion som krävs av ett stort antal elektroniska enheter, inklusive mikrokontroller, USB-, Ethernet-, Wi-Fi- och Bluetooth-gränssnitt, samt datorutrustning och kringutrustning, medicinsk utrustning, test- och mätutrustning, industriell styrning och automation, Internet of Things (IoT), bärbara produkter och konsumentelektronik. Att konstruera kristallstyrda oscillatorer för att tillhandahålla tidsstyrning i systemen verkar vid första anblicken vara en enkel uppgift, men konstruktörer måste ta hänsyn till många parametrar och konstruktionskrav när de matchar en kvartskristall med en oscillatorkrets.

De många övervägandena omfattar kristallens rörelseimpedans, resonansläge, drivningsnivå och oscillatorns negativa motstånd. När det gäller kretslayouten måste konstruktören ta hänsyn till kretskortets parasitära kapacitans, inkluderandet av ett skyddsband runt kristallen och den inbyggda kapacitansen i kretsen. Den slutliga konstruktionen måste vara kompakt och tillförlitlig med ett minimalt antal komponenter, ha ett lågt rms-jitter (root mean square) och kunna fungera i ett brett spänningsområde med minimal strömförbrukning.

En lösning är att använda kristalloscillatorer i enkla kapslingar (SPXO). Dessa oscillatorer med kontinuerlig spänning och lågt rms-jitter är optimerade för låg strömförbrukning samt drift vid valfri spänning mellan 1,6 och 3,6 V, vilket gör det möjligt för konstruktörer att implementera lösningar som kräver minimal konstruktionsinsats vid systemintegration.

Artikeln går kortfattat igenom några av de viktiga prestandakrav och konstruktionsutmaningar som måste uppfyllas för att man framgångsrikt ska kunna konstruera tidskretsar med diskreta kvartskristaller och integrerade tidskretsar. Därefter presenteras SPXO-lösningar från Abracon och man visar hur konstruktörer kan använda dessa för att på ett effektivt och ändamålsenligt sätt tillgodose tidsbehoven i elektroniska system.

Utmaningar vid drift och konstruktion av kristalloscillatorer i samband med konstruktion

Strömförbrukning är en viktig faktor i små, batteridrivna trådlösa enheter. Många av dessa enheter bygger på radioapparater i en krets med mycket låg energiförbrukning, som kan ha flera års batteritid. Det är också viktigt att minimera batteriets storlek för att kontrollera enhetens kostnad eftersom batteriet kan vara den dyraste komponenten i systemet. Med detta sagt är viloströmmen ofta den viktigaste frågan om batteritid i små trådlösa system, och klockoscillatorn dominerar ofta viloströmmen. Därför är det viktigt att minimera oscillatorns strömförbrukning.

Det kan tyvärr vara en utmaning att konstruera oscillatorer med låg effekt. Ett sätt att spara energi är att minimera viloströmmen genom att gå in i ett "inaktiverat" läge och bara starta oscillatorn vid behov. Kristalloscillatorer är dock inte enkla att starta på ett snabbt och tillförlitligt sätt. Konstruktörer måste se till att oscillatorn drar låg ström i vila och har tillförlitliga startegenskaper vid alla drifts- och miljöförhållanden.

Konfigurationen med en Pierce-oscillator används ofta i trådlösa system på en krets med låg effekt (figur 1). En Pierce-oscillator är uppbyggd kring en kristall (X) och lastkondensatorer (_C1 och_C2), som är omslutna av en inverterande förstärkare med ett internt återkopplingsmotstånd. Vid rätt förutsättningar, när förstärkarens utgång matas tillbaka till ingången, resulterar detta i ett negativt motstånd och en svängning uppstår.

Figur 1: Grundläggande konfiguration av Pierce-oscillator uppbyggd kring en kristall (X) och lastkondensatorer_C1 och_C2. (Bildkälla: Abracon)

Kristaller är komplexa strukturer och den här diskussionen ger endast en förenklad översikt över hur de fungerar i oscillatorer.

Förstärkningsmarginalen Gm i den slutna slingan kan användas som ett godhetstal (FOM) för att karakterisera tillförlitligheten hos en oscillator i förhållande till olika förluster. Det kallas även för oscillationskompensation (OA). En OA under 5 kan leda till låg produktionsavkastning och temperaturrelaterade startproblem. Konstruktioner med en OA på 20 eller mer är robusta, ger tillförlitlig drift i det avsedda drifttemperaturområdet och är okänsliga för variationer i produktionssatser när det gäller kristallens och systemkretsens prestanda.

För att mäta oscillatorns OA läggs ett variabelt motstånd R_a till i kretsen (figur 2). Värdet för R_a ökas tills oscillatorn inte kan starta. Detta är det värde som används för att fastställa OA enligt följande:

Ekvation 1

Där:

R_n är det negativa motståndet

R_e är det ekvivalenta seriemotståndet (ESR)

Ekvation 2

Ekvation 3

Lastkapacitansen, C_L, beräknas med hjälp av:

Ekvation 4

Där Cs är kretsens vandrande kapacitans, vanligtvis 3-5 pF.

Figur 2: Pierce-oscillator med den utökade kristallmodellen (i lådan i mitten) och det justerbara motståndet (R_a) för mätning av oscilleringskompensationen. (Bildkälla: Abracon)

OA är beroende av ESR (R_e), och ESR är beroende av kvartskristallens parameter R_m och belastningskapacitansen C_L. Effekten av R_m och C_L på OA ökar för oscillatorer med låg effekt, t.ex. de som används i trådlösa enheter med låg strömförbrukning. Det tar tid att mäta OA och det kan tyckas förlänga utvecklingsprocessen. Detta kan leda till att det förbises som kan orsaka prestandaproblem när systemet eller enheten tas i produktion.

Att ställa in en hög OA för att säkerställa en tillförlitlig oscillatordrift kan dessutom leda till andra problem. En hög OA kommer exempelvis att resultera i en hög prestanda för oscillatorkretsen, men effektförluster på grund av kristallen kan förbises. Dessa förluster kan vara en betydande faktor. Om vi ser tillbaka på figur 2, orsakar kristallens rörelsemotstånd, R_m, en energiförlust när strömmen cirkulerar genom motståndet. Strömmen och förlusterna ökar när C_L är större. Konstruktörer måste uppnå en balans mellan energiförlusterna i kristallen och ett rimligt värde för OA.

Undvika jitter

När man konstruerar oscillatorer med kvartskristaller är det viktigt att förstå och minimera jitter. Det finns två typer av jitter, som båda vanligtvis mäts som rms-värden:

• Jitter från cykel till cykel: kallas även för fasjitter och är den maximala tidsskillnaden mellan flera uppmätta svängningsperioder, vanligen uppmätt över minst 10 perioder.
• Periodiskt jitter: Detta är den maximala förändringen av en klockas kant och mäts i varje period, men inte under flera perioder.

De viktigaste källorna till jitter i oscillatorer med kvartskristaller är brus på strömförsörjningen, harmoniska heltalsövertoner i signalfrekvensen, felaktiga belastnings- och termineringsförhållanden, förstärkarbrus och vissa kretskonfigurationer. Beroende på källa, finns det flera metoder som kan användas för att minimera jitter:

• Användning av förbikopplingskondensatorer, ferritpärlor eller RC-filter (resistor-kondensator) för att kontrollera bruset från strömförsörjningen.
• I viktiga tillämpningar som kräver mycket lågt jitter, är det viktigt att fastställa en metod för att kontrollera övertonerna (ett ämne som liggger utanför den här artikelns omfattning).
• Minska den reflekterade effekten tillbaka till utgången genom att optimera belastningen och termineringsförhållandena.
• Undvik användning av konstruktioner som innehåller faslåsta loopar, multiplikatorer eller programmerbara funktioner eftersom dessa tenderar att öka jittret.

Kristalloscillatorer med kontinuerlig spänning

Konstruktörer av system med en varierande systemspänning på mellan 1,6 och 3,6 V kan dra nytta av att använda SPXO:erna ASADV, ASDDV och ASEDV från Abracon (figur 3). Dessa SPXO-familjer täcker olika frekvensområden: 1,25 till 100 MHz för ASADV-enheterna och 1 till 160 MHz för ASDDV- och ASEDV-enheterna. De är RoHS/RoHS II-kompatibla och levereras i hermetiskt förslutna keramiska ytmonterade kapslingar (SMD). Frekvensstabiliteten är ±25 ppm (delar per miljon) inom driftstemperaturområdet -40 °C till +85 °C.

Figur 3: SPXO:erna ASADV (visas), ASDDV och ASEDV är förpackade i hermetiskt förslutna keramiska kapslingar och fungerar från -40 °C till +85 °C. (Bildkälla: Abracon)

ASADV har måtten 2,0 x 1,6 x 0,8 mm, ASDDV har måtten 2,5 x 2,0 x 0,95 mm och ASEDV måtten 3,2 x 2,5 x 1,2 mm. De tre serierna finns tillgängliga med en mängd olika vanliga driftstemperaturområden, stabilitetsalternativ och ett utgångsformat som är CMOS/HCMOS/LVCMOS-kompatibelt.

Familjerna ASADV, ASDVD och ASEDV är optimerade för drift med låg strömstyrka (figur 4). Funktionen för att aktivera/inaktivera utgången minskar strömmen till endast 10 μA när den är inaktiverad. De har en maximal starttid på 10 ms.

Figur 4: Här visas strömförbrukningen i förhållande till matningsspänningen i ASEDV, vilket är typiskt för prestandan hos denna familj av SPXO:er (uppmätt vid 25 °C ± 3 °C). (Bildkälla: Abracon)

Alla de tre SPXO-familjerna har särskilt låg strömförbrukning. För ASADV varierar den maximala strömmen (mätt vid en 15 pF belastning vid 25 °C) från 1 mA vid 1,25 MHz och en matningsspänning på 1,8 V till 14,5 mA vid 81 MHz och en matningsspänning på 3,3 V. För ASDDV- och ASEDV varierar den maximala strömmen från 1 mA vid 1 MHz och en matningsspänning på 1,8 V till 19 mA vid 157 MHz och en matningsspänning på 3,3 V.

Enheterna kan driva flera belastningar och har god prestanda för elektromagnetiska störningar (EMI) och lågt jitter. De är specificerade för ett rms-fasjitter på <1,0 picosekund (ps) och ett periodiskt jitter på högst 7 ps.

SPXO:erna har även en god frekvensstabilitet i hela sitt driftstemperaturområde (figur 5). Oscillatorerna kan i många tillämpningar användas som lösningar vid direkt utbyte och kräver lite konstruktionsarbete. De eliminerar även behovet av förspända oscillatorval och eliminerar förspänningsberoende frekvensvariationer.

Figur 5: SPXO:erna som har god frekvensstabilitet i hela driftstemperaturområdet. Detta diagram för familjen ASEDV är typisk. (Bildkälla: Abracon)

Slutligen kan de ytmonterade kristalloscillatorerna ASADV, ASDVD och ASEDV med kontinuerlig spänning användas för att tillhandahålla billigare alternativ till oscillatorer i mikroelektromekaniska system (MEMS) där stötar och vibrationer inte är viktiga faktorer.

Sammanfatttning

Konstruktörer behöver exakta och tillförlitliga oscillatorer som ger stabil tidsstyrning i många olika tillämpningar och driftstemperaturer. Diskreta kristallstyrda oscillatorer kan uppfylla kraven på prestanda, men att konstruera effektivt med kristaller kan vara tekniskt svårt, tidskrävande, onödigt dyrt och mindre optimalt med avseende på format.

Som visas kan konstruktörer istället använda integrerade SPXO:er med låg strömförbrukning som utgör direkt ersättningsbara tidslösningar med god frekvensstabilitet i ett brett driftstemperaturområde. Med hjälp av SPXO:er kan konstruktörer minska antalet komponenter, minska lösningens storlek, minska monteringskostnaderna och förbättra tillförlitligheten.

Rekommenderad läsning

Hur man väljer och tillämpar en oscillator på ett effektivt sätt