Förstå kristalloscillatorparametrar för att optimera valen av komponenter

Kvartsbaserade kristalloscillatorer är kärnkomponenten som ansvarar för precision och prestanda i frekvens/timing i nästan alla elektroniska kretsar. Som sådana krävs det att de håller sig precisa över tid. Naturligtvis existerar den "perfekta" oscillatorn bara i teorin, så problemet för konstruktörer är att hitta rätt oscillator för att uppfylla konstruktionskraven. Detta är ingen lätt uppgift.

När prestandakraven har fastställts för tillämpningen, måste konstruktörerna hitta en lösning med rätt balans mellan prestanda, kostnad, stabilitet, storlek, effekt, fysisk struktur och drivförmåga för tillhörande kretsar. För att göra det måste de förstå oscillatorns funktionsprinciper, deras viktigaste egenskaper och hur de har utvecklats.

Denna artikel går igenom en del grundläggande fakta om kristalloscillatorer innan den går igenom några olika perspektiv som relaterar till kristalloscillatormoduler med hög prestanda. Sedan går den, med hjälp av några representativa produkter från ECS Inc., igenom grunderna för dessa oscillatorer och därefter de viktigaste och sekundära parametrarna, samt några typiska värden för dessa parametrar. Den kommer också att visa hur olika produkter matchas med behovet hos vissa typiska tillämpningar.

Hur kristalloscillatorer fungerar

Kristalloscillatorer står för hjärtslaget till processorer, bittimingen för datalänkar, samplingstiden för datakonvertering och masterfrekvensen i tuners och synthesizers. Förenklat fungerar kvartselementet i kristalloscillatorn som ett extremt högt Q-resonanselement i återkopplingsnätet i en oscillatorkrets (figur 1). Eftersom kristallerna och deras oscillatorer är så viktiga, har både kvartsmaterialets grundläggande fysik och dess elektriska och mekaniska egenskaper undersökts och analyserats mycket noga, vilket även gäller de olika typerna av oscillatorkretsar.

Figur 1: Med hjälp av den piezoelektriska effekten fungerar en kristall som ett stabilt och exakt resonanselement med högt Q i återkopplingsslingan i en oscillatorkrets. (Bildkälla: ECS Inc. International, modifierad)

Under många år brukade användare specificera kristallens frekvens och andra viktiga egenskaper, sedan skaffa sig sin egen separata oscillatorkrets med hjälp av vakuumrör (i början), sedan transistorer och slutligen IC:ar. Denna krets var vanligtvis en kombination av noggrann konstruktionsanalys, en skopa ”konst” och heuristiska bedömningar, eftersom det fanns många subtila ömesidiga beroenden. Konstruktören måste försöka balansera dessa faktorer för att matcha oscillatorns prestanda med kvartskristallens profil och egenskaper samt med tillämpningens prioriteringar.

Numera är sådana gör-det-själv-konstruktioner av kristalloscillatorer relativt sällsynta eftersom det tar mycket tid och möda att få den ursprungliga konstruktionen rätt. Sedan finns det detta med att exakt mäta en oscillators prestanda. Detta är komplicerat och kräver precisionsinstrument och en noggrann installation. Istället kan konstruktörer i många fall köpa en liten, helt sluten modul som innehåller både kvartselementet, oscillatorkretsen och dess utgångsdrivkrets. Detta reducerar naturligtvis konstruktionens komplexitet och tidsåtgång, och användaren får en komplett karaktäriserad produkt och ett datablad med garanterade specifikationer.

Några ord om terminologi: Av historiska och andra skäl använder ingenjörer ofta ordet "kristall" när de egentligen pratar om hela kristalloscillatorkretsen. Detta är normalt inte ett problem eftersom den avsedda betydelsen förstås av sammanhanget. Det kan emellertid ibland leda till förvirring, eftersom det fortfarande är möjligt att köpa en kristall som en fristående komponent och sedan skapa separata oscillatorkretsar. Denna artikel använder ordet "oscillator" för att hänvisa kristallen plus dess oscillatorkretsar som en fristående modul snarare än bara själva oscillatorkretsen.

Att ta fram karaktäristik för kristalloscillatorer

Som med alla komponenter definieras kristalloscillatorns prestanda initialt av en uppsättning essentiella parametrar. Dessa är i allmän betydelseordning:

Arbetsfrekvens: Denna kan sträcka sig från 10-tals kHz till 100-tals MHz. Oscillatorer för frekvenser över en oscillators grundläggande omfång, exempelvis inom GHz-området, använder vanligtvis en faslåst slinga (PLL) som frekvensmultiplikator för att konvertera grundfrekvensen uppåt.

Frekvensstabilitet: Detta är den andra viktiga prestandafaktorn för oscillatorer. Den definierar avvikelsen på utgångsfrekvensen från dess ursprungsvärde orsakat av externa förhållanden; ju mindre denna siffra är desto bättre.

Det finns många externa förhållanden som påverkar stabiliteten och många leverantörer anger dem separat så att konstruktören kan bedöma den faktiska effekten i tillämpningarna. Bland dessa faktorer finns temperaturrelaterad avvikelse från den nominella frekvensen vid 25 °C; andra faktorer inkluderar långtidsstabilitet till följd av åldrande samt effekter av lödning, variationer i matningsspänning och förändringar i uteffekten. För produkter med hög prestanda anges den vanligtvis i delar per miljon (ppm) eller delar per miljard (ppb), relativt nominella utgångsfrekvens.

Fasbrus och jitter: Detta är två perspektiv på samma generella prestandaklass. Fasbrus kännetecknar klockbrus i frekvensdomänen, medan jitter gör detsamma i tidsdomänen (figur 2).

Figur 2: Jitter i tidsdomänen och fasbrus i frekvensdomänen är två lika giltiga tolkningar av samma imperfektioner. Den föredragna vyn beror på tillämpningen. (Bildkälla: ECS Inc. International)

Beroende på tillämpningen kommer konstruktören att fokusera på fel som främst definierats i endera eller andra domänen. Fasbruset definieras vanligen som förhållandet mellan bruset över en bandbredd på 1 Hz vid en specificerad frekvensförskjutning, f_m och oscillatorsignalamplituden vid frekvensen f_O. Fasbruset försämrar precisionen, upplösningen och signal/brus-kvoten (SNR) i frekvenssyntetisatorer (Figur 3), medan jitter orsakar tidsfel och därmed bidrar till ökad bitfelsfrekvens (BER) i datalänkar.

Figur 3: Fasbruset sprider ut oscillatorns effektspektrum och har en skadlig effekt på upplösning och SNR. (Bildkälla: ECS Inc. International)

Timingjitter orsakar samplingsfel vid analoga/digitala omvandlingar och påverkar därmed även SNR och den efterföljande frekvensanalysen som sker med snabb Fourier-transform (FFT).

Produkter i MultiVolt-familjen av standardoscillatorer (MV) från ECS Inc. finns med stabilitet så låg som ± 20 ppm, medan deras oscillatorer med snäv stabilitet (SMV) erbjuder stabilitet ner till ± 5 ppm. För ännu snävare stabilitet, erbjuder MultiVolt-TCXO:er ± 2,5 ppm-prestanda med HCMOS-utgångar och ± 0,5 ppm för klippta sinusvågsutgångar (både TCXO och klippta sinusvågor förklaras vidare nedan).

Oavsett domän är fasbrus/jitter en viktig faktor för högprestandakonstruktioner och måste tas med i felbudgeten, samtidigt som behoven i tillämpningen has i åtanke. Tänk på att det finns många typer av jitter, inklusive absolut jitter, cykel-till-cykel-jitter, integrerat fas-jitter, långtidsjitter och periodiskt jitter; för fasbrus finns också olika integrationsområden och -typer, inklusive vitt brus och olika "brusfärger".

Att lyckas förstå detaljerna om både jitter och fasbrus i oscillatorn och dess effekt i tillämpningen är ofta en utmaning. Det är svårt att konvertera en specifikation från en domän till en annan; användarna bör istället vända sig till databladet. Det är också viktigt att förstå att de olika, men fullt rimliga, leverantörsdefinitionerna som kvantifierar prestandan, när de redovisar dessa fel i den totala felbudgeten.

Utgångssignaltyp och -drivning: Dessa måste anpassas till den anslutna lasten (Figur 4). De två topologierna för utgångsdrivning är enkeländade och differentiella.

Figur 4: Olika utdataformat är tillgängliga och måste vara kompatibla med oscillatorns lastkonfiguration. (Bildkälla: ECS Inc. International)

Enkeländade oscillatorer är lättare att implementera men har större känslighet för brus och passar vanligtvis bara upp till flera hundra MHz. Bland de enkeländade utgångstyperna finns:

• TTL (transistor-till-transistorlogik): 0,4 till 2,4 volt (används sällan nu)
• CMOS (komplementär metalloxid-halvledare): 0,5 till 4,5 volt
• HCMOS (snabb CMOS): 0,5 till 4,5 volt
• LVCMOS (CMOS med låg spänning): 0,5 till 4,5 volt

Differentiella utgångar är svårare att konstruera men ger bättre prestanda i högfrekvenstillämpningar, eftersom allt brus som är gemensamt för differentialspåren släcks ut. Detta hjälper till att behålla oscillatorns prestanda, såsom den ses från lastkretsen. Differentiella signaltyper är:

• PECL (positiv emitterkopplad logik): 3,3 till 4,0 volt
• LVPECL (lågspännings-PECL); 1,7 till 2,4 volt
• CML (strömlägeslogik): 0,4 till 1,2 volt och 2,6 till 3,3 volt
• LVDS (differentialsignaler med låg spänning): 1,0 till 1,4 volt
• HCSL (snabb strömstyrningslogik): 0,0 till 0,75 volt

Valet av signaltyp bestäms av tillämpningsprioriteringar och tillhörande kretsar.

Oscillatorns utgångsvågform kan vara en klassisk enkelfrekvent sinusvåg eller en klippt sinusvåg (Figur 5). Den analoga vågen är den ”renaste” och minst utsatta för jitter/fasbrus, jämfört med att använda en komparatorkrets för att omvandla den till en fyrkantvåg, eftersom detta tillför jitter/fasbrus och därmed försämrar den. Den klippta sinusvågen skapar en fyrkantvågliknande utgång som är kompatibel med digitala laster utan att offra något av prestandan.

Figur 5: Den klippta sinusvågen approximerar en fyrkantvåg samtidigt som eventuellt ytterligare jitter eller fasbrus minimeras. (Bildkälla: ECS Inc. International)

Matningsspänning och -ström: Dessa har både minskat för att möta behoven hos dagens lågspännings- och ofta förekommande batterisystem. De flesta oscillatorer i MultiVolt-serien kan köras med matningsspänningar på 1,8 volt, 2,5 volt, 3,0 volt och 3,3 volt.

Dimensioner: Precis som med driftspänning och -ström har oscillatormodulerna också blivit mindre. Branschen har vissa standardstorlekar för enkeländade produkter (som bara behöver fyra anslutningar), medan differentiella oscillatorer har sex kontakter och använder de större kapslingarna, med dimensioner som här anges i millimeter:

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

Mycket handlar om temperatur

Temperaturen är den största externa faktorn som påverkar och förskjuter oscillatorns prestanda. Även om oscillatorns arbetseffekt är låg och självuppvärmningen därmed är nästan försumbar, påverkar omgivningstemperaturen driftsfrekvensen eftersom dessa förändringar påverkar kvartskristallens dimensioner och mekaniska spänningar. Det är viktigt att kontrollera prestandan för den valda oscillatorn i utkanterna av de förväntade intervallen. Dessa intervall beskrivs vanligtvis som:

• Kommersiell klass och fordonsklass 4: 0 till + 70 ° C
• Utökad kommersiell klass: −20 till + 70 ° C
• Industri- och fordonsklass 3: −40 till + 85 ° C
• Utökad industri- och fordonsklass 2: −40 till + 105 ° C
• Fordonsklass 1: −40 till + 125 ° C
• Militär klass: −55 till + 125 ° C
• Fordonsklass 0: −40 till + 150 ° C

För vissa konstruktioner är det inte bara prestandan relativt temperaturen som är av vikt utan också behovet att uppfylla andra tillförlitlighetsspecifikationer. ECS-2016MVQ, exempelvis, är en miniatyriserad ytmonterad MultiVolt HCMOS-utgångsoscillator för funktion på 1,7 till 3,6 volt (Figur 6). Den keramiska kapslingen 2016 (2,0 × 1,6 mm, per ovan) är 0,85 mm hög och riktar sig mot hårdare industriella tillämpningar och är AEC-Q200-certifierad (Automotive) för temperaturkrav av klass 1. Den är tillgänglig för frekvenser från 1,5 till 54 MHz i fyra grader av frekvensstabilitet, från ± 20 ppm till ± 100 ppm över -40 till + 85 °C; fasjittret är mycket lågt på bara 1 picosekund (ps), mätt från 12 kHz till 5 MHz.

Figur 6: ECS-2016MVQ finns för frekvenser från 1,5 till 54 MHz och i fyra stabilitetsklasser från ± 20 ppm till ± 100 ppm. (Bildkälla: ECS Inc. International)

För tillämpningar där avdrift över arbetsintervallet är oacceptabelt högt, finns två avancerade oscillatorimplementeringar tillgängliga: den temperaturkompenserade kristalloscillatorn (TCXO) och den ugnsstyrda kristalloscillatorn (OCXO). (Observera att XTAL är beteckningen för kristall i många scheman, och "X" används som en förkortning för det i förkortningen.) En TCXO använder en aktiv krets för att kompensera för förändringen i utfrekvensen på grund av temperaturvariationer. Kristalloscillatorn i OCXO placeras dock i en värmeisolerad ugn som värms upp och hålls vid en konstant temperatur över maximal omgivningstemperatur (en ugn som bara värms upp kan inte bli kallare än omgivningstemperaturen).

TCXO:er kräver fler kretsar jämfört med en basoscillator men mycket mindre effekt än OCXO med ugnen, som vanligtvis kräver flera watt. Dessutom är en TCXO bara aningen större än en okompenserad komponent och är mycket mindre än en OCXO. En TCXO visar vanligtvis en förbättring av avdriften mellan 10 och 40 gånger den för en okompenserad komponent, medan en OXCO kan visa avdriftprestanda som är två storleksordningar bättre i jämförelse, men med betydande avkall på storlek och effekt.

ECS-TXO-32CSMV är en ytmonterad klippt sinusvåg-TCXO med MultiVolt-kapacitet (1,7 till 3,465 volts matning) för frekvenser mellan 10 och 52 MHz (Figur 7). Den 3,2 × 2,5 × 1,2 mm höga keramiska kapslingen är väl lämpad för bärbara och trådlösa tillämpningar där stabilitet är kritiskt. Nyckelspecifikationerna visar dess extremt höga stabilitet kontra temperatur, förändringar av matningen, lastförändringar och åldrande, samt dess blygsamma strömbehov på under 2 mA (Tabell 1).

Figur 7: ECS-TXO-32CSMV är en kristalloscillator med klippt sinusvåg-utgång som innehåller interna kompensationskretsar för att kraftigt förbättra stabiliteten. (Bildkälla: ECS Inc. International)

Tabell 1: Specifikationerna för den temperaturkompenserade ECS-TXO-32CSMV TXCO visar hur dess interna kompensation förbättrar stabiliteten trots ett antal externa störningar. (Bildkälla: ECS Inc. International)

Lågeffektdrift: ofta en prioritet

Trots trenderna mot ständigt högre processorfrekvenser och datahastigheter, finns det fortfarande ett stort behov av kristalloscillatorer med lägre frekvens för timingfunktionalitet i extrema lågeffekttillämpningar. Exempelvis är ECS-327MVATX en miniatyriserade ytmonterad oscillator som arbetar med en fast frekvens på 32,768 kHz med MultiVolt-kapacitet (1,6 till 3,6 volt). Med sitt strömkrav på bara 200 µA och enkeländade CMOS-utgång passar den bra för realtidsklockor (RTC), strömsnåla/bärbara produkter samt industri- och Internet of Things-tillämpningar. Den finns i kapslingsstorlekarna 2016 till 7050, med frekvensstabilitet från snäva ± 20 ppm till en något breda ± 100 ppm över temperaturområdet -40 till + 85 °C, beroende på modell.

För att minimera den genomsnittliga energiförbrukningen erbjuder många oscillatorer också en aktiverings-/inaktiveringsfunktion. Exempelvis är ECS-5032MV en 125 MHz ytmonterad oscillator med MultiVolt-funktionskapacitet från 1,6 till 3,6 volt och CMOS-utgång, som erbjuds i en keramisk 5032-kapsling (Figur 8).

Figur 8: ECS-5032MV är en 125 MHz ytmonterad oscillator med en aktiverings-/inaktiveringsfunktion som kan hjälpa till att spara ström. (Bildkälla: ECS Inc. International)

En av dess fyra kontakter gör att oscillatorn kan sättas i standby-läge, vilket reducerar den erforderliga strömmen från 35 mA i aktivt läge till endast 10 µA standbyström. Uppstartstiden är 5 ms efter att enheten har aktiverats igen.

Att matcha specifikationer för tillämpningen

Att välja en lämplig kristalloscillator för en applikation är som förväntat en balans mellan specifikationer, prioriteringar, kostnad och deras relativa viktning. Det är mer än den uppenbara avvägningen mellan erforderlig nominell frekvens, frekvensstabilitet, jitter/fasbrus och andra attribut som en fristående oscillator. Användare måste också se till att oscillatorns utgångsdrivning är kompatibel med tillhörande laster och system så att hopparningen inte försämrar prestandan. Även om det finns många sådana överväganden finns det några allmänna riktlinjer:

• En LVDS-utgång kräver endast ett motstånd vid mottagaren, medan LVPECL kräver terminering på både sändare och mottagare.
• LVDS, LVPECL och HCSL har snabbare övergångar än CMOS men kräver mer kraft och är bäst lämpade för högfrekventa konstruktioner.
• För lägsta strömförbrukning över 150 MHz är CMOS eller LVDS de bästa valen.
• LVPECL, LVDS och därefter CMOS erbjuder bästa jitterprestanda vid lägre frekvenser.

Slutsats

Kvartskristalloscillatorn är kärnan i många kretsar och system. För att säkerställa att prestandan för denna funktion matchar kraven på tillämpningen, krävs en noggrann avvägning mellan nyckelparametrar, som börjar med nominell frekvensprecision, stabilitet kontra temperatur och andra faktorer som jitter och fasbrus. Det kräver också att man matchar oscillatorns utgångsgenskaper till lastkretsens egenskaper. Kristalloscillatorer i ECS MultiVolt-familjerna erbjuder överlägsen prestanda med kombinationer av specifikationer i kompletta, lättanvända moduler.