Proste i oszczędne metody spełniania wymagań dotyczących taktowania obwodów niskiej mocy za pomocą oscylatorów SPXO

Taktowanie obwodu jest krytyczną funkcją wymaganą w szerokiej gamie urządzeń elektronicznych, takich jak mikrokontrolery, interfejsy USB, Ethernet, Wi-Fi i Bluetooth, a także urządzenia komputerowe i urządzenia peryferyjne, urządzenia medyczne, sprzęt testowy i pomiarowy, urządzenia sterownicze i automatyka przemysłowa, urządzenia Internetu rzeczy (IoT), urządzenia ubieralne i elektronika użytkowa. Projektowanie oscylatorów sterowanych kryształami w celu zapewnienia taktowania układu wydaje się początkowo prostym zadaniem, ale projektanci muszą wziąć pod uwagę wiele parametrów i wymagań projektowych podczas dopasowywania kryształu kwarcu do układu scalonego oscylatora.

Pod uwagę trzeba wziąć na przykład impedancję ruchową kryształu, tryb rezonansowy, poziom wysterowania i ujemną rezystancję oscylatora. Jeżeli chodzi o układ obwodu, projektant musi wziąć pod uwagę pojemność pasożytniczą płytki drukowanej, dołączenie opaski ochronnej wokół kryształu oraz pojemność zintegrowaną na chipie. Ostateczna konstrukcja musi być kompaktowa i niezawodna, zawierać minimalną liczbę komponentów, charakteryzować się niskimi fluktuacjami skutecznymi (RMS) i umożliwiać pracę w szerokim zakresie napięć wejściowych przy minimalnym zużyciu energii.

Jednym z rozwiązań jest użycie prostych oscylatorów krystalicznych w obudowach (SPXO). Te oscylatory ciągłego napięcia zoptymalizowane pod kątem niskiego zużycia energii i niskich fluktuacji skutecznych (RMS) oraz pracy przy dowolnym napięciu od 1,60 do 3,60V umożliwiają projektantom wdrażanie rozwiązań, które wymagają minimalnego wysiłku projektowego w celu integracji z systemami.

W niniejszym artykule pokrótce omówimy niektóre z ważnych wymagań dotyczących parametrów działania i wyzwań projektowych, które należy spełnić, aby pomyślnie zaprojektować obwody taktowania z wykorzystaniem dyskretnych kryształów kwarcu i układów scalonych taktowania. Następnie przedstawione zostaną proste oscylatory krystaliczne (SPXO) firmy Abracon oraz sposób, w jaki projektanci mogą z nich korzystać, aby skutecznie i wydajnie spełniać wymagania dotyczące taktowania w układach elektronicznych.

Działanie oscylatora krystalicznego i wyzwania projektowe

W małych, zasilanych bateryjnie urządzeniach bezprzewodowych zużycie energii jest ważnym czynnikiem. Wiele takich urządzeń jest opartych na radiowych i procesorowych układach SoC o bardzo niskiej mocy, które mogą współpracować z bateriami przez wiele lat. Z punktu widzenia kosztów urządzenia ważna jest również minimalizacja rozmiaru baterii, ponieważ bateria może być najdroższym elementem systemu. Jednak prąd pogotowia jest często najważniejszym czynnikiem wpływającym na czas pracy baterii w małych układach bezprzewodowych, a oscylator zegara często ma dominujący udział w prądzie czuwania. Dlatego minimalizacja poboru prądu oscylatora ma kluczowe znaczenie.

Niestety projektowanie oscylatorów małej mocy może być wyzwaniem. Jednym ze sposobów oszczędzania energii jest zminimalizowanie prądu pogotowia poprzez przejście w stan 'wyłączenia' i uruchomienie oscylatora w razie potrzeby. Jednak oscylatory krystaliczne nie są łatwe do szybkiego i niezawodnego uruchomienia. Projektanci muszą zadbać o to, aby oscylator pobierał niski prąd w trybie pogotowia i miał niezawodną charakterystykę rozruchu we wszystkich warunkach roboczych i środowiskowych.

Konfiguracja oscylatora Pierce'a jest powszechnie stosowana w bezprzewodowych układach SoC małej mocy (ilustracja 1). Oscylator Pierce'a jest zbudowany na bazie kryształu (X) i kondensatorów obciążenia (C1 i C2) oraz uzupełniony wzmacniaczem odwracającym z wewnętrznym rezystorem sprzężenia zwrotnego. W odpowiednich warunkach, gdy wyjście wzmacniacza jest ponownie podawane na wejście, skutkuje to ujemną rezystancją i pojawia się oscylacja.

Ilustracja 1: Podstawowa konfiguracja oscylatora Pierce'a zbudowanego na bazie kryształu (X) i kondensatorów obciążenia C1 i C2. (Źródło ilustracji: Abracon)