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

Kryształy stanowią złożone struktury. Niniejsza dyskusja dostarcza tylko powierzchownego i uproszczonego spojrzenia na ich działanie w oscylatorach.

W celu scharakteryzowania niezawodności oscylatora w odniesieniu do różnych strat, jako współczynnik dobroci (FOM) można wykorzystać zapas wzmocnienia w pętli zamkniętej, Gm. Nazywa się go również rezerwą oscylacji (OA). Rezerwa oscylacji OA poniżej 5 może skutkować niską wydajnością produkcji i problemami z rozruchem związanymi z temperaturą. Projekty z rezerwą oscylacji OA wynoszącą 20 lub więcej są wytrzymałe, zapewniają niezawodną pracę w zaprojektowanym zakresie temperatur roboczych i są niewrażliwe na odchyłki w obrębie partii produkcyjnych pod względem parametrów działania kryształu i układu SoC.

Aby zmierzyć rezerwę oscylacji OA oscylatora, do obwodu dodaje się rezystor nastawny, Ra (ilustracja 2). Wartość Ra jest zwiększana do momentu, w którym oscylatora nie da się uruchomić. Jest to wartość używana do określenia rezerwy oscylacji OA w następujący sposób:

Gdzie:

Rn jest rezystancją ujemną

Re jest równoważną rezystancją szeregową (ESR)

Gdzie pojemność obciążenia, CL, oblicza się, wykorzystując:

Gdzie Cs jest pojemnością błądzącą obwodu, zwykle od 3,0 do 5,0pF.

Ilustracja 2: Oscylator Pierce'a z rozwiniętym modelem kryształu (w ramce pośrodku) i rezystorem nastawnym (Ra) do pomiaru rezerwy oscylacji. (Źródło ilustracji: Abracon)

Rezerwa oscylacji OA zależy od równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) (Rmi), a ta z kolei zależy od parametru Rm kryształu kwarcu i pojemności obciążenia, CL. Wpływ Rm i CL na rezerwę oscylacji OA jest większy dla oscylatorów małej mocy, na przykład używanych w urządzeniach bezprzewodowych małej mocy. Pomiar rezerwy oscylacji OA wymaga czasu i może wydawać się wydłużeniem procesu rozwoju. Jego pominięcie może jednak spowodować problemy z parametrami działania, gdy system lub urządzenie wejdzie do produkcji.

Ponadto ustawienie wysokiej rezerwy oscylacji w celu zapewnienia niezawodnej pracy oscylatora może spowodować inne problemy. Na przykład wysoka rezerwa oscylacji OA spowoduje wysokie parametry działania obwodu oscylatora, ale można przeoczyć straty mocy na krysztale. Straty te mogą być istotnym czynnikiem. Spójrzmy ponownie na ilustrację 2: rezystancja ruchowa kryształu, Rm, powoduje rozpraszanie mocy, gdy prąd przepływa cyklicznie przez rezystancję. Prąd i straty rosną, gdy wartość CL jest większa. Projektanci muszą osiągnąć równowagę między stratami mocy w krysztale a rozsądną wartością rezerwy oscylacji OA.