Zrozumienie parametrów oscylatora krystalicznego pod kątem optymalizacji doboru komponentów

Oscylatory single-ended są łatwiejsze do wdrożenia, lecz bardziej czułe na szum i zwykle są lepszym dopasowaniem tylko do kilkuset megaherców. Wśród typów wyjść single-ended znajdują się:

• TTL (logika tranzystorowo-tranzystorowa): 0,4 do 2,4V (obecnie rzadko używane)
• CMOS (komplementarny półprzewodnik tlenkowy): 0,5 do 4,5V
• HCMOS (CMOS wysokiej prędkości): 0,5 do 4,5V
• LVCMOS (CMOS niskiego napięcia): 0,5 do 4,5V

Wyjścia różnicowe są trudniejsze do zaprojektowania, ale zapewniają lepsze parametry działania w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, ponieważ wszelkie szumy wspólne dla ścieżek różnicowych są neutralizowane. Pomaga to utrzymać parametry działania oscylatora obserwowane z perspektywy obwodu obciążenia. Typy sygnału różnicowego są następujące:

• PECL (logika o dodatnim sprzężeniu emiterowym): 3,3 do 4,0V
• LVPECL (niskonapięciowa logika o dodatnim sprzężeniu emiterowym): 1,7 do 2,4V
• CML (logika trybu prądowego): 0,4 do 1,2V oraz 2,6 do 3,3V
• LVDS (niskonapięciowe sygnały różnicowe): 1,0 do 1,4V
• HCSL (logika sterująca prądem o wysokiej prędkości): 0,0 do 0,75V

O doborze typu sygnału decydują priorytety zastosowania i powiązane obwody.

Przebieg wyjściowy oscylatora może być klasyczną jednoczęstotliwościową falą sinusoidalną lub obciętą falą sinusoidalną (ilustracja 5). Fala analogowa jest „najczystsza” i najmniej narażona na fluktuacje/szum fazowy, w przeciwieństwie do wykorzystania obwodu komparatora do przekształcenia jej w falę kwadratową, ponieważ takie działanie dodaje fluktuacje/szum fazowy, a tym samym pogarsza ją. Obcięta fala sinusoidalna tworzy sygnał wyjściowy przypominający falę kwadratową, który jest kompatybilny z obciążeniami cyfrowymi bez utraty parametrów działania.

Ilustracja 5: Obcięta fala sinusoidalna zbliża się do fali kwadratowej, minimalizując dodatkowe fluktuacje lub szum fazowy. (Źródło ilustracji: © ECS Inc. International)

Napięcie i prąd zasilania: oba te parametry zostały zmniejszone, aby sprostać wymaganiom dzisiejszych systemów o niższym napięciu i często zasilanych z baterii. Większość oscylatorów z serii MultiVolt może pracować przy napięciu zasilania wynoszącym 1,8V, 2,5V, 3,0V i 3,3V.

Rozmiary obudowy: wraz z obniżeniem napięcia i prądu również obudowy oscylatorów stały się mniejsze. W branży istnieją pewne standardowe rozmiary dla urządzeń typu single-ended (które potrzebują tylko czterech połączeń), podczas gdy oscylatory różnicowe mają sześć styków i większe obudowy, których wymiary podano tutaj w milimetrach (mm):

• 1612: 1,6mm × 1,2mm
• 2016: 2,0mm × 1,6mm
• 2520: 2,5mm × 2,0mm
• 3225: 3,2mm × 2,5mm
• 5032: 5,0mm × 3,2mm
• 7050: 7,0mm × 5,0mm

W dużej mierze chodzi o temperaturę

Najważniejszym czynnikiem zewnętrznym wpływającym na oscylator i zmieniającym jego parametry działania jest temperatura. Nawet jeśli moc robocza oscylatora jest niska, a tym samym samoistne nagrzewanie jest znikome, temperatura otoczenia wpływa na częstotliwość roboczą, ponieważ zmiany te wpływają na wymiary mechaniczne i naprężenia kryształu kwarcu. Ważne, aby sprawdzić parametry działania wybranego oscylatora w skrajnych wartościach oczekiwanych zakresów. Zakresy te są zwykle określane jako:

• Komercyjne, klasy motoryzacyjnej 4: od 0 do +70°C
• Rozszerzone komercyjne: od -20 do +70°C
• Przemysłowe, klasy motoryzacyjnej 3: od -40 do +85°C
• Rozszerzone komercyjne, klasy motoryzacyjnej 2: od -40 do +105°C
• Klasy motoryzacyjnej 1: od -40 do +125°C
• Wojskowe: od -55 do +125°C
• Klasy motoryzacyjnej 0: od -40 do +150°C

W przypadku niektórych projektów pod uwagę brane są nie tylko parametry działania względem temperatury, ale także konieczność spełnienia innych specyfikacji dotyczących niezawodności. Na przykład miniaturowe oscylatory MultiVolt ECS-2016MVQ z wyjściem HCMOS do montażu powierzchniowego, przeznaczone są do pracy przy napięciach od 1,7 do 3,6V (ilustracja 6). Obudowa ceramiczna 2016 (2,0mm × 1,6mm, jak wyżej) ma wysokość 0,85mm, jest przeznaczona do trudniejszych zastosowań przemysłowych i uzyskała kwalifikację według normy AEC-Q200 (motoryzacyjną) w zakresie temperatury klasy 1. Są one dostępne dla częstotliwości od 1,5 do 54MHz w czterech stopniach stabilności częstotliwości, od ±20ppm do ±100ppm w temperaturze od -40°C do +85°C. Fluktuacje fazy są bardzo małe i wynoszą zaledwie 1 ps, mierzone w zakresie od 12kHz do 5MHz.

Ilustracja 6: Oscylatory ECS-2016MVQ są dostępne dla częstotliwości od 1,5 do 54 MHz i w czterech stopniach stabilności częstotliwości od ±20ppm do ±100ppm. (Źródło ilustracji: © ECS Inc. International)

W przypadku zastosowań, w których dryft w zakresie roboczym jest nieakceptowalnie wysoki, dostępne są dwie zaawansowane implementacje oscylatorów: oscylator krystaliczny z kompensacją temperatury (TCXO) oraz oscylator krystaliczny stabilizowany termicznie (OCXO). (Należy zauważyć, że na wielu schematach XTAL jest oznaczeniem kryształu, a „X” jest używane jako skrót tego oznaczenia w akronimach). Oscylator TCXO wykorzystuje aktywny obwód do kompensacji zmiany częstotliwości wyjściowej wywołanej zmianą temperatury. W przeciwieństwie do tego, w technologii OCXO oscylator krystaliczny jest umieszczony w izolowanym termicznie piecu, który jest ogrzewany i utrzymywany w stałej temperaturze powyżej maksymalnej temperatury otoczenia (piec grzewczy nie może schłodzić się poniżej temperatury otoczenia).

Oscylatory TCXO wymagają dodatkowych obwodów w porównaniu z podstawowym oscylatorem, ale o wiele mniej mocy niż OCXO wraz z piecem, który zazwyczaj wymaga kilku watów. Ponadto TCXO jest tylko nieznacznie większy niż urządzenie nieskompensowane i jest znacznie mniejszy niż OCXO. TCXO zwykle wykazuje dryft od 10 do 40 razy lepszy w porównaniu z urządzeniem nieskompensowanym, podczas gdy OXCO może wykazać parametry dryfu o dwa rzędy wielkości lepsze, ale ze znaczną stratą pod względem rozmiaru i mocy.

ECS-TXO-32CSMV to oscylator TCXO z obciętą falą sinusoidalną do montażu powierzchniowego z funkcją MultiVolt (zasilanie 1,7 do 3,465V) dla częstotliwości od 10 do 52MHz (ilustracja 7). Ceramiczna obudowa o wymiarach 3,2 × 2,5 × 1,2mm jest odpowiednio przystosowana do zastosowań przenośnych i bezprzewodowych, gdzie stabilność ma krytyczne znaczenie. Kluczowe specyfikacje wykazują jego niezwykle wysoką stabilność względem temperatury, zmian zasilania, zmian obciążenia i starzenia się, a także niewielkie zapotrzebowanie na prąd poniżej 2mA (tabela 1).

Ilustracja 7: ECS-TXO-32CSMV to oscylator krystaliczny o obciętej fali sinusoidalnej na wyjściu, wyposażony w wewnętrzne obwody kompensacyjne, które w znacznym stopniu poprawiają stabilność. (Źródło ilustracji: © ECS Inc. International)

Tabela 1: Tabela specyfikacji oscylatora TXCO ECS-TXO-32CSMV firmy ECS z kompensacją temperatury pokazuje, jak jego wewnętrzna kompensacja poprawia stabilność pomimo zakłóceń zewnętrznych. (Źródło ilustracji: © ECS Inc. International)