Kuinka täyttää pienitehoisten piirien ajoitusvaatimukset yksinkertaisesti ja kustannustehokkaasti SPXO-piireillä?

Piirien ajoitus on kriittinen toiminto, jota tarvitaan kaikenlaisissa elektroniikkalaitteissa, esimerkkinä mikrokontrollerit, USB-, Ethernet-, Wi-Fi- ja Bluetooth-liitännät, tietokonelaitteet ja oheislaitteet, lääkinnälliset laitteet, testaus- ja mittauslaitteet, teollisuusohjaus ja automaatio, esineiden internet (Internet of Things, IoT), puettavat laitteet ja kulutuselektroniikka. Kideohjattujen oskillaattorien suunnittelu järjestelmän ajoitusta varten vaikuttaa aluksi yksinkertaiselta tehtävältä, mutta suunnittelijoiden on otettava huomioon lukuisia parametreja ja suunnitteluvaatimuksia sovittaessaan kvartsikidettä oskillaattorimikropiiriin.

Näihin tekijöihin kuuluvat kiteen liikeimpedanssi, resonanssitila, ohjaustaso ja oskillaattorin negatiivinen resistanssi. Piirin layoutissa suunnittelijan on otettava huomioon piirilevyn loiskapasitanssi, varoalueen muodostaminen kiteen ympärille sekä sirun sisältämä kapasitanssi. Lopullisen ratkaisun on oltava kompakti ja luotettava ja siinä on oltava mahdollisimman vähän komponentteja, sillä on oltava alhainen RMS (Root Mean Square) -jitterarvo ja sen on toimittava laajalla syöttöjännitealueella mahdollisimman pienellä virrankulutuksella.

Yksi ratkaisu on käyttää yksittäispakattuja kideoskillaattoreita (SPXO). Nämä jatkuvan jännitealueen oskillaattorit on optimoitu alhaista virrankulutusta ja alhaista rms-jitteriä varten sekä toimimaan millä tahansa jännitteellä välillä 1,60 – 3,60 volttia. Näin suunnittelijat voivat toteuttaa ratkaisuja, joiden integrointi järjestelmiin vaatii vain vähän työtä.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti joitakin tärkeitä suorituskykyvaatimuksia ja suunnitteluhaasteita, jotka on täytettävä, jotta voidaan suunnitella onnistuneesti ajoituspiirejä, joissa käytetään erillisiä kvartsikiteitä ja ajoituspiirejä. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Abraconin SPXO-ratkaisut ja näytetään, miten suunnittelijat voivat niiden avulla täyttää tehokkaasti ja tuloksellisesti elektronisten järjestelmien ajoitustarpeet.

Kideoskillaattorin toiminta ja suunnitteluhaasteet

Virrankulutus on tärkeä tekijä pienissä, akku/paristokäyttöisissä langattomissa laitteissa. Monet tällaiset laitteet perustuvat erittäin vähävirtaisiin SoC-radioihin ja -prosessoreihin, joissa akun tai pariston kesto voi olla useita vuosia. Myös akun/pariston koon minimointi on tärkeää laitteen kustannusten hallinnassa, koska akku/paristo voi olla järjestelmän kallein komponentti. Pienissä langattomissa järjestelmissä valmiusvirta on usein tärkein akun/pariston käyttöikään vaikuttava tekijä ja kello-oskillaattori on usein eniten valmiusvirtaa käyttävä toiminto. Siksi oskillaattorin virrankulutuksen minimointi on ratkaisevan tärkeää.

Valitettavasti vähävirtaisten oskillaattoreiden suunnittelu on haastavaa. Yksi tapa säästää energiaa on minimoida valmiustilan virtaa siirtymällä virransäästötilaan ja käynnistämällä oskillaattori tarpeen mukaan. Kideoskillaattoreita ei kuitenkaan ole helppo käynnistää nopeasti ja luotettavasti. Suunnittelijoiden on varmistettava, että oskillaattorin virrankulutus valmiustilassa on alhainen ja että sen käynnistysominaisuudet ovat luotettavat kaikissa käyttö- ja ympäristöolosuhteissa.

Oskillaattorin Pierce-konfiguraatiota käytetään paljon vähävirtaisissa langattomissa SoC-piireissä (kuva 1). Pierce-oskillaattori rakentuu kiteen (X) ja kuormituskondensaattoreiden (C₁ ja C₂) ympärille. Tämän päällä on sisäistä takaisinkytkentävastusta käyttävä invertoiva vahvistin. Oikeissa olosuhteissa, kun vahvistimen ulostulo syötetään takaisin sisääntuloon, syntyy negatiivinen vastus ja piiri alkaa värähtelemään.

Kuva 1: Pierce-oskillaattorin peruskonfiguraatio muodostuu kiteen (X) ja kuormituskondensaattorien C₁ ja C₂ ympärille. (Kuvan lähde: Abracon)

Kiteet ovat monimutkaisia rakenteita, ja tässä artikkelissa tarkastellaan niiden käyttöä oskillaattoreissa vain korkealla tasolla ja yksinkertaistettuna.

Suljetun silmukan vahvistusmarginaalia Gm voidaan käyttää hyvyyslukuna (FOM) kuvaamaan oskillaattorin luotettavuutta erilaisten häviöiden suhteen. Sitä kutsutaan myös OA (Oscillation Allowance) -arvoksi. Jos OA on alle 5, tämä voi johtaa alhaiseen saantiin tuotannossa ja lämpötilaan liittyviin käynnistysongelmiin. Kun OA on vähintään 20, tuloksena on robusti ja luotettava toiminta suunnitellulla käyttölämpötila-alueella. Nämä eivät ole herkkiä kiteen ja SoC-piirin suorituskykyominaisuuksien vaihtelulle tuotantoerästä toiseen.

Oskillaattorin OA voidaan mitata lisäämällä piiriin muuttuva vastus R_a (kuva 2). Arvoa R_a kasvatetaan, kunnes oskillaattori ei enää käynnisty. Tätä arvoa käytetään OA:n määrittämiseen seuraavasti:

 Yhtälö 1

Yhtälössä:

R_n on negatiivinen vastus

R_e on vastaava sarjaresistanssi (ESR)

 Yhtälö 2

 Yhtälö 3

Kuormituskapasitanssi C_L lasketaan käyttämällä:

 Yhtälö 4

Jossa Cs on piirin irtokapasitanssi, yleensä 3,0-5,0 pikofaradia (pF).

Kuva 2: Pierce-oskillaattori ja laajennettu kidemalli (laatikossa keskellä) sekä säätövastus (R_a) OA (Oscillation Allowance) -arvon mittaamista varten. (Kuvan lähde: Abracon)

OA riippuu ESR (R_e) -arvosta ja ESR riippuu kvartsin kideparametrista R_m sekä kuormituskapasitanssista C_L. Tekijöiden R_m ja C_L vaikutus OA-arvoon kasvaa vähävirtaisissa oskillaattoreissa, joita käytetään esimerkiksi vähävirtaisissa langattomissa laitteissa. OA-arvon mittaaminen vie aikaa ja näyttää pitkittävän kehitysprosessia. Tästä syystä se usein jätetään tekemättä, mikä taas voi aiheuttaa suorituskykyongelmia, kun järjestelmä tai laite siirretään tuotantoon.

Lisäksi oskillaattorin toiminnan luotettavuuden varmistaminen asettamalla OA korkeaksi voi johtaa muihin ongelmiin. Korkea OA parantaa esimerkiksi oskillaattoripiirin tehoa, mutta kiteen tehohäviöt voivat unohtua. Nämä häviöt voivat olla merkittävä tekijä. Jos palaamme takaisin kuvaan 2, kiteen liikeresistanssi R_m aiheuttaa tehohäviöitä, kun virta kulkee resistanssin läpi. Suurempi C_L kasvattaa myös virtaa ja häviöitä. Suunnittelijoiden on saavutettava tasapaino kiteen tehohäviöiden ja kohtuullisen OA-arvon välillä.

Jitter-värähtelyn välttäminen

Kvartsikideoskillaattorien suunnittelussa on tärkeää ymmärtää jitter-värähtely ja minimoida se. Jitteriä on kahdenlaista ja molemmat ilmaistaan tyypillisesti rms-arvoina:

• Syklien välinen jitter: Tätä kutsutaan myös vaihejitteriksi ja se on suurin aikaero useiden mitattujen värähtelyjaksojen välillä, mitattuna yleensä vähintään 10 jakson ajalta.
• Periodinen jitter: Mitataan jokaisella jaksolla, mutta ei useammalla jaksolla.

Kvartsikideoskillaattoreiden jitter-värähtelyn tärkeimpiä lähteitä ovat virtalähteen kohina, signaalitaajuuden harmoniset kokonaisluvut, epäsopivat kuormitus- ja terminointitekijät, vahvistimen kohina ja eräät piirikonfiguraatiot. Jitteriä voidaan minimoida sen lähteestä riippuen käyttämällä useita menetelmiä:

• Virtalähteen kohinaa voidaan rajoittaa käyttämällä ohituskondensaattoreita, ferriittirajoittimia sekä RC (Resistor-Capacitor) -suodattimia.
• Kriittisissä sovelluksissa, joissa vaaditaan erittäin alhaista jitteriä, on tärkeää käyttää jotain menetelmää harmonisten yliaaltojen hallitsemiseksi (ei käsitellä tässä artikkelissa).
• Vähennä ulostuloon takaisin heijastuvaa tehoa optimoimalla kuormitus- ja terminointitekijät
• Vältä rakenteita, jotka sisältävät vaihelukittuja silmukoita, multipleksereitä tai ohjelmoitavia ominaisuuksia, koska niillä on tapana lisätä jitteriä.

Jatkuvan jännitealueen kideoskillaattorit

Sellaisten järjestelmien suunnittelijat, joissa järjestelmän biasjännite vaihtelee 1,60 ja 3,60 voltin välillä, voivat hyötyä Abraconin ASADV-, ASDDV- ja ASEDV-SPXO-piirien käytöstä (kuva 3). Nämä SPXO-tuoteperheet kattavat eri taajuusalueet: ASADV-laitteet kattavat 1,25 megahertsiä (MHz) – 100 MHz ja ASDDV- ja ASEDV-laitteet 1 MHz – 160 MHz. Nämä täyttävät RoHS/RoHS II -vaatimukset ja ne toimitetaan hermeettisesti suljetuissa keraamisissa pintaliitoskoteloissa (SMD). Niiden taajuusvakaus on ± 25 miljoonasosaa (ppm) koko niiden käyttölämpötila-alueella -40 °C – +85 °C.

Kuva 3: ASADV- (kuvassa), ASDDV- ja ASEDV-SPXO-piirit on pakattu hermeettisesti suljettuihin keraamisiin koteloihin ja niitä voidaan käyttää lämpötiloissa -40 °C – +85 °C. (Kuvan lähde: Abracon)

ASADV-piirin mitat ovat 2,0 x 1,6 x 0,8 millimetriä (mm), ASDDV-piirin 2,5 x 2,0 x 0,95 mm ja ASEDV-piirin 3,2 x 2,5 x 1,2 mm. Näitä kolmea sarjaa on saatavana useilla yleisillä käyttölämpötila-alueilla, stabiiliusvaihtoehdoilla ja CMOS/HCMOS/LVCMOS-yhteensopivilla lähtöformaateilla.

On huomattava, että ASADV-, ASDVD- ja ASEDV-tuoteperheet on optimoitu toimimaan vähällä virralla (kuva 4). Ulostulon aktivointi/deaktivointitoiminto vähentää virran vain 10 mikroampeeriin (μA), kun se on deaktivoitu. Niiden käynnistymisaika on enintään 10 millisekuntia (ms).

Kuva 4: Kuvaajassa näytetään ASEDV-piirin virrankulutus eri jännitteillä. Tämä suorituskyky on tyypillistä tämän tuoteperheen SPXO-piireille (mitattu lämpötilassa 25 °C ± 3 °C). (Kuvan lähde: Abracon)

Kaikkien kolmen SPXO-tuoteperheen virrankulutus on erittäin alhainen. ASADV-piirin maksimivirta (mitattu 15 pF:n kuormalla lämpötilassa 25 °C) alkaa 1,0 milliampeerista (mA) taajuudella 1,25 MHz ja jännitteellä 1,8 volttia aina arvoon 14,5 mA taajuudella 81 MHz ja jännitteellä 3,3 volttia. ASDDV- ja ASDDV-piirien maksimivirta alkaa arvosta 1,0 mA taajuudella 1 MHz ja jännitteellä 1,8 volttia aina arvoon 19 mA taajuudella 157 MHz ja jännitteellä 3,3 volttia.

Laitteilla voidaan ohjata erisuuruisia kuormia, niillä on hyvä EMI (ElectroMagnetic Interference) -suorituskyky ja niiden jitter on vähäistä. Niiden RMS-vaihejitter on <1,0 pikosekuntia (ps) ja periodinen jitter enintään 7,0 ps.

SPXO-piirit tarjoavat myös hyvän taajuusvakavuuden koko niiden käyttölämpötila-alueella (kuva 5). Näitä oskillaattoreita voidaan käyttää monissa sovelluksissa sellaisenaan ja ne vaativat vain vähän suunnittelutyötä. Ne poistavat myös oskillaattorin bias-kohtaisen valintatarpeen ja poistavat biasarvosta riippuvat taajuusvaihtelut.

Kuva 5: Näillä SPXO-piireillä on hyvä taajuusvakaus koko käyttölämpötila-alueella. Tämä on tyypillinen ASEDV-tuoteperheen kuvaaja. (Kuvan lähde: Abracon)

Kun iskut ja tärinä eivät ole kriittisiä tekijöitä, jatkuvan jännitealueen ASADV-, ASDVD- ja ASEDV-pintaliitoskideoskillaattoreita voidaan käyttää myös edullisempina vaihtoehtoina MEMS (MicroElectroMechanical Systems) -oskillaattoreille.

Yhteenveto

Suunnittelijat tarvitsevat tarkkoja ja luotettavia oskillaattoreita, jotka tarjoavat vakaan ajoituksen mitä erilaisemmissa sovelluksissa ja käyttölämpötiloissa. Diskreetit kideohjatut oskillaattorit voivat täyttää vaaditut suorituskykyominaisuudet, mutta tehokas suunnittelu kiteiden avulla voi olla teknisesti vaikeaa, aikaa vievää, tarpeettoman kallista ja ratkaisun koon kannalta epäoptimaalista.

Kuten artikkelissa näytetään, suunnittelijat voivat sen sijaan käyttää integroituja ja vähävirtaisia SPXO-piirejä, joita voidaan käyttää sellaisenaan ja jotka tarjoavat hyvän taajuusvakauden laajalla käyttölämpötila-alueella. SPXO-piirien avulla suunnittelijat voivat vähentää komponenttien määrää, pienentää ratkaisun kokoa, pienentää kokoonpanokustannuksia ja parantaa luotettavuutta.

Suositeltavaa luettavaa

How to Select and Effectively Apply an Oscillator