Ymmärrä kideoskillaattorin parametrit ja optimoi komponenttien valinta

Kvartsipohjaiset kideoskillaattorit ovat vastuussa lähes kaikissa elektroniikkapiireissä taajuuden ja ajoituksen tarkkuudesta ja suorituskyvystä. Niiden täytyykin pysyä tarkkoina ja täsmällisinä myös ajan mittaan. ”Täydellisiä” oskillaattoreita on tietenkin olemassa vain teoriassa, joten suunnittelijoiden haasteena on tavoitteisiin sopivan oskillaattorin löytäminen, eikä se ole mikään helppo tehtävä.

Kun sovelluksen suorituskykyvaatimukset on määritetty, suunnittelijoiden on löydettävä ratkaisu, jossa suorituskyvyn, kustannusten, stabiiliuden, koon, tehon, fyysisen rakenteen ja ohjauskyvyn välillä on sopiva tasapaino. Se vaatii oskillaattorin toimintaperiaatteiden, tärkeimpien ominaisuuksien ja kehityshistorian ymmärrystä.

Tässä artikkelissa annetaan yleiskatsaus kideoskillaattorien perusasioista, minkä jälkeen siinä käsitellään erilaisia suorituskykyisiin kideoskillaattorimoduuleihin liittyviä näkökohtia. Sen jälkeen artikkelissa käsitellään oskillaattorien perusominaisuuksia lyhyesti ECS Inc. ‑yhtiön esimerkkituotteiden avulla ja määritellään tärkeimmät ja toiseksi tärkeimmät parametrit sekä realistiset arvot niille. Lisäksi kerrotaan, miten eri laitteita voi yhdistellä tyypillisissä sovelluksissa.

Kideoskillaattorien toiminta

Kideoskillaattoreita käytetään suorittimien kellon taajuuslähteinä, datalinkkien bittiajoituksessa, datamuunnosten näytteistysajan lähteenä ja virittimien sekä syntetisoijien päätaajuuslähteenä. Yksinkertaistetusti voidaan sanoa, että kideoskillaattorin kvartsielementti toimii oskillaattoripiirin palauteverkossa erittäin suuren Q-arvon resonoivana elementtinä (kuva 1). Koska kiteet ja niiden oskillaattorit ovat niin tärkeitä, kvartsimateriaalin perusfysiikkaa ja sähköistä ja mekaanista toimintaa sekä erilaisia oskillaattoripiirejä on tutkittu ja analysoitu laajasti.

Kuva 1: Kide toimii pietsosähköisyyden vuoksi suuren Q-arvon vakaana ja tarkkana resonoivana elementtinä oskillaattoripiirin palautesilmukassa. (Kuvan lähde: ECS Inc. International, muutettu)

Käytäntönä oli vuosikausia, että suunnittelijat määrittivät kiteen taajuuden ja muut tärkeimmät ominaisuudet ja tarjosivat oman, erillisen oskillaattoripiirin, jossa käytettiin aikanaan tyhjiöputkia, sitten transistoreita ja lopuksi integroituja piirejä. Piiri perustui yleensä huolellisiin analyyseihin, joita täydennettiin kokemusperäisellä arvioinnilla ja hitusella luovuutta, sillä keskinäisiä riippuvuuksia oli paljon. Suunnittelija yritti tasapainottaa eri tekijät oskillaattorin suorituskyvyn sovittamiseksi kvartsikiteen ”leikkaukseen” ja ominaisuuksiin sekä sovelluksen kannalta tärkeimpiin asioihin.

Tällaisen itse kehitetyn kideoskillaattorin suunnitteleminen on nykyään melko harvinaista, koska suunnittelu on vaivalloista ja se vie paljon aikaa. Lisäksi on otettava huomioon oskillaattorin suorituskyvyn tarkka mittaaminen – monimutkainen tehtävä, johon tarvitaan tarkkuusinstrumentteja ja huolellista suunnittelua. Suunnittelijat voivatkin nyt monissa tilanteissa ostaa pienen, täysin koteloidun moduulin, joka sisältää sekä kvartsielementin että oskillaattoripiirin ja sen lähtöajurin. Valmiskomponentit vähentävät suunnittelutyötä ja siihen kuluvaa aikaa, sillä käytettävissä olevan laitteen ominaisuudet tunnetaan täysin ja teknisissä tiedoissa esitetyt ominaisuudet ovat taattuja.

Terminologiaa koskeva huomautus: Insinöörit käyttävät historiallisten ja muiden syiden vuoksi usein sanaa ”kide”, vaikka he tarkoittavat itse asiassa koko kideoskillaattoripiiriä. Tästä ei ole yleensä haittaa, koska merkitys selviää asiayhteydestä. Merkitys voi kuitenkin olla joskus epäselvä, koska kiteitä voi edelleen ostaa erilliskomponentteina, jolloin oskillaattoripiiri on erillinen osa. Tässä artikkelissa sanalla ”oskillaattori” tarkoitetaan kidettä ja sen oskillaattoripiiriä yhtenä moduulina, ei pelkkää oskillaattoripiiriä.

Kideoskillaattorien ominaisuudet

Kuten muidenkin komponenttien, myös kideoskillaattorin suorituskyky määritetään aluksi tiettyjen ensisijaisten parametrien mukaan. Yleisessä tärkeysjärjestyksessä ne ovat seuraavat:

Käyttötaajuus: Vaihtelee kymmenistä kilohertseistä (kHz) satoihin megahertseihin (MHz). Perustaajuusaluetta suuremmilla taajuuksilla käytettävissä oskillaattoreissa, kuten gigahertsialueen (GHz) laitteissa, käytetään yleensä taajuuskertojana vaihelukittuja silmukoita (PLL), joilla perustaajuus muunnetaan suuremmaksi.

Taajuuden stabiilius: Tämä on toinen tärkeä oskillaattorien suorituskykyä kuvaava tekijä. Se kuvaa ulkoisista olosuhteista johtuvaa lähtötaajuuden poikkeamaa alkuperäisestä arvosta; mahdollisimman pieni arvo on siis parempi.

Stabiiliuuteen vaikuttavat monet ulkoiset tekijät. Monet toimittajat määrittävät ne erikseen, jolloin suunnittelija voi arvioida niiden todellista vaikutusta omassa sovelluksessaan. Ulkoisia tekijöitä ovat muun muassa lämpötilaan liittyvä poikkeama 25 ⁰C:ssa määritetystä nimellistaajuudesta, vanhenemiseen liittyvä pitkäaikainen stabiilius sekä juottamisen vaikutukset, syöttöjännitteen vaihtelu ja lähtökuorman muutokset. Erittäin suorituskykyisissä laitteissa stabiilius määritetään yleensä nimellislähtötaajuuden miljoonasosina (ppm) tai miljardisosina (ppb).

Vaihekohina ja värinä: Nämä kaksi näkökulmaa liittyvät samaan yleisen suorituskyvyn luokkaan. Vaihekohina kuvaa kellon kohinaa taajuusalueessa ja värinä kuvaa kohinaa aikatasossa (kuva 2).

Kuva 2: Aikatason värinä ja taajuusalueen vaihekohina ovat kaksi samanarvoista tapaa tulkita samoja puutteita. Näkökulma valitaan sovelluksen mukaan. (Kuvan lähde: ECS Inc. International)

Suunnittelija keskittyy sovelluksen mukaan ensisijaisesti näistä yhden alueen virheisiin. Vaihekohina määritetään yleensä 1 hertsin (Hz) kaistanleveydellä ja tietyllä taajuuspoikkeutuksella f_m esiintyvän kohinan suhteena oskillaattorin signaalin amplitudiin taajuudella f_O. Vaihekohina heikentää taajuusmuuttajien tarkkuutta, resoluutiota ja signaalikohinasuhdetta (SNR) (kuva 3). Värinä puolestaan aiheuttaa ajoitusvirheitä ja kasvattaa siksi datalinkkien bittivirhesuhdetta (BER).

Kuva 3: Vaihekohina levittää oskillaattorin tehospektriä ja heikentää resoluutiota sekä signaalikohinasuhdetta. (Kuvan lähde: ECS Inc. International)

Ajoitusvärinä aiheuttaa A/D-muuntimessa näytteenottovirheitä ja vaikuttaa sen vuoksi SNR-arvoon ja myöhemmin tehtävään FFT-taajuusanalyysiin (Fast Fourier Transform).

ECS Inc. ‑yrityksen MultiVolt-standardioskillaattoriperheessä (MV) on saatavana laitteita, joiden stabiilius on niinkin alhainen kuin ±20 ppm, ja korkean stabiiliuden oskillaattoreissa (SMV) stabiilius on niinkin hyvä kuin ±5 ppm. Vieläkin korkeamman stabiiliuden tarjoaa MultiVolt TCXO ‑perhe, jossa stabiilius on ±2,5 ppm HCMOS-lähdöillä ja ±0,5 ppm leikatun siniaallon lähdöillä (sekä TCXO-oskillaattoreita että leikattuja siniaaltoja käsitellään tarkemmin jäljempänä).

Vaihekohina/värinä on aluevalinnasta riippumatta tärkeä tekijä erittäin suorituskykyisiä piirejä suunniteltaessa, ja se täytyy ottaa sovelluksen tarpeiden lisäksi huomioon myös virhearvioinnissa. Huomaa, että värinätyyppejä on useita, esimerkiksi absoluuttinen värinä, syklien välinen värinä, integroitu vaihevärinä, pitkäaikainen värinä ja jaksoittainen värinä. Myös vaihekohina vaihtelee integrointialueittain ja siitä on useita tyyppejä, kuten valkoinen kohina ja muut kohinan ”värit”.

Oskillaattorin värinää ja vaihekohinaa sekä niiden vaikutuksia sovellukseen voi olla vaikea hahmottaa. Yhden alueen määritysarvoa on vaikea muuntaa toisen alueen arvoksi, ja käyttäjien pitäisikin tarkistaa arvot teknisistä tiedoista. Arvioitaessa näiden virheiden vaikutusta kokonaisvirhearvioon on myös tärkeää ymmärtää, että eri toimittajilla on perustellusti erilaisia suorituskyvyn kvantifiointiin liittyviä määritelmiä.

Lähtösignaalin tyyppi ja ohjauskyky: Nämä on valittava piiriin yhdistetyn kuorman mukaisesti (kuva 4). Lähdön kaksi ohjaustopologiatyyppiä ovat epäsymmetrinen ja differentiaalinen.

Kuva 4: Saatavana on erilaisia lähtöformaatteja, joista on valittava oskillaattorin kuormalle sopiva. (Kuvan lähde: ECS Inc. International)

Epäsymmetriset oskillaattorit ovat helpompia toteuttaa, mutta ne ovat herkempiä kohinalle ja toimivat tyypillisesti hyvin vain muutaman sadan megahertsin alueella. Epäsymmetrisiä lähtötyyppejä ovat:

• TTL (transistori-transistorilogiikka): 0,4–2,4 volttia (käytetään nykyään vain harvoin)
• CMOS (komplementaarinen metallioksidipuolijohde): 0,5–4,5 volttia
• HCMOS (nopea CMOS):              0,5–4,5 volttia
• LVCMOS (pienjännite-CMOS):            0,5–4,5 volttia

Differentiaalilähtöjen suunnitteleminen on vaikeampaa, mutta ne ovat suorituskykyisempiä suurtaajuussovelluksissa, sillä kumpaankin differentiaalijohtimeen vaikuttava kohina kumoaa itse itsensä. Tämä auttaa ylläpitämään oskillaattorin kuormapiirille näkyvää suorituskykyä. Differentiaalisignaalin tyyppejä ovat:

• PECL (positiivinen emitterikytketty logiikka):            3,3–4,0 volttia
• LVPECL (pienjännite-PECL):                            1,7–2,4 volttia
• CML (virtatilalogiikka):                             0,4–1,2 volttia ja 2,6–3,3 volttia
• LVDS (pienjännite-differentiaalisignaali):       1,0–1,4 volttia
• HCSL (high-speed current-steering logic):      0,0–0,75 volttia

Valittava signaalityyppi määräytyy sen mukaan, mitkä ominaisuudet ovat tärkeitä sovellukselle ja siihen liittyville piireille.

Oskillaattorin lähtöaalto voi olla klassinen yksitaajuinen siniaalto tai leikattu siniaalto (kuva 5). Analoginen aalto on ”puhtain” ja siinä on vähemmän värinää/vaihekohinaa kuin komparaattoripiirillä neliöaalloksi muunnetussa aallossa, sillä muuntaminen kasvattaa värinää/vaihekohinaa ja heikentää siten aallon laatua. Leikattu siniaalto tuottaa neliöaaltomaisen lähtösignaalin, joka sopii monenlaisille digitaalisille kuormille suorituskyvyn heikkenemättä.

Kuva 5: Leikattu siniaalto muistuttaa neliöaaltoa, mutta minimoi lisävärinän tai ‑vaihekohinan. (Kuvan lähde: ECS Inc. International)

Syöttöjännite ja ‑virta: Nämä molemmat ovat laskeneet nykypäivän usein paristokäyttöisten pienjännitejärjestelmien tarpeiden mukaisesti. Useimpia MultiVolt-sarjan oskillaattoreita voi käyttää 1,8 voltin; 2,5 voltin; 3,0 voltin ja 3,3 voltin syöttöjännitteellä.

Kotelon koko: Myös oskillaattorikotelot ovat pienentyneet käyttöjännitteen ja ‑virran tapaan. Alalla on käytössä joitakin epäsymmetristen laitteiden vakiokokoja (joissa tarvitaan vain neljä liitintä). Differentiaalioskillaattoreissa puolestaan on kuusi kontaktia ja niiden suurempi kotelokoko ilmoitetaan millimetreinä (mm):

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

Kyse on pitkälti lämpötilasta

Lämpötila on merkittävin oskillaattorin suorituskykyyn vaikuttava ja sitä siirtävä ulkoinen tekijä. Vaikka oskillaattorin käyttämä teho on pieni ja se ei itsessään juurikaan kuumene, ympäristön lämpötila vaikuttaa käyttötaajuuteen, koska se vaikuttaa kvartsikiteen fyysiseen kokoon ja jännityksiin. On tärkeää muistaa tutustua valitun oskillaattorin toimintaan odotetun toimintalämpötila-alueen ääripäissä. Yleisesti käytetään seuraavia käyttöalueiden nimityksiä:

• Kaupallinen, autoteollisuus, luokka 4:                   0 ... +70 °C
• Laajennettu kaupallinen:                                   −20 ... +70 °C
• Teollinen, autoteollisuus, luokka 3:                     −40 ... +85 °C
• Laajennettu teollinen, autoteollisuus, luokka 2:     –40 ... +105 °C
• Autoteollisuus, luokka 1:                                      −40 ... +125 °C
• Sotilasteollisuus:                                                  −55 ... +125 °C
• Autoteollisuus, luokka 0:                                      −40 ... +150 °C

Joissakin sovelluksissa lämpötilan lisäksi täytyy ottaa huomioon myös muita luotettavuuteen liittyviä spesifikaatioita. Esimerkiksi ECS-2016MVQ on MultiVoltin minikokoinen HCMOS-lähtöinen pintaliitososkillaattori käytettäväksi 1,7–3,6 voltilla (kuva 6). Keraamisen 2016-kotelon (jonka koko on edellä esitetyn mukaisesti 2,0 mm × 1,6 mm) korkeus on 0,85 mm. Se on tarkoitettu etenkin vaativampiin teollisuussovelluksiin, ja sillä on autoteollisuuden AEC-Q200-hyväksyntä luokan 1 lämpötilavaatimuksiin. Saatavana olevat taajuudet ovat 1,5 MHz – 54  MHz ja taajuuden stabiiliusluokkia on neljä, ±20 ppm ... ±100 ppm lämpötila-alueella –40 °C ... +85 °C. Vaihevärinä on hyvin vähäistä, vain 1 pikosekunti (ps) taajuusalueella 12 kHz – 5 MHz.

Kuva 6: ECS ECS-2016MVQ ‑oskillaattori on saatavana taajuuksille 1,5–54 MHz ja taajuuden stabiiliusluokkia on neljä, ±20 ppm ... ±100 ppm. (Kuvan lähde: ECS Inc. International)

Jos sovelluksen siirtymä toiminta-alueella on liian suuri, käytettävissä on kaksi parannettua oskillaattorivaihtoehtoa: lämpötilakompensoitu kideoskillaattori (TCXO) ja uuniohjattu kideoskillaattori (OCXO). (Huomaa, että kide on merkitty moniin piirikaavioihin merkinnällä XTAL, ja pelkkää X-kirjainta käytetään tuon kirjainlyhenteen lyhenteenä.) TCXO kompensoi aktiivisen piirin avulla lämpötilan vaihtelusta johtuvaa lähtötaajuuden muutosta. OCXO-piirissä puolestaan kideoskillaattori sijoitetaan lämpöeristettyyn uuniin, joka kuumennetaan ja pidetään ympäristön lämpötilaa korkeammassa vakiolämmössä (uuni ei saa jäähtyä ympäristön lämpötilaa viileämmäksi).

TCXO-oskillaattoreihin tarvitaan perusoskillaattoriin nähden ylimääräisiä piirejä, mutta paljon vähemmän tehoa kuin uunia käyttävä OCXO, jonka tehontarve on tyypillisesti useita watteja. TCXO on lisäksi vain hieman suurempi kuin kompensoimaton laite ja paljon pienempi kuin OCXO. TCXO-oskillaattori parantaa ryömintäarvoa tyypillisesti 10–40-kertaisesti kompensoimattomaan laitteeseen verrattuna. OXCO-piirin ryömintä saattaa puolestaan parantua kahdella kertaluokalla, mutta koko ja tehontarve ovat merkittävä haittapuoli.

ECS-TXO-32CSMV on leikattua siniaaltoa käyttävä pintaliitos-TCXO MultiVolt-ominaisuudella (syöttöjännite 1,7–3,465 volttia) taajuuksille 10–52 MHz (kuva 7). Keramiikkakotelo, jonka koko on 3,2 × 2,5 × 1,2 mm, sopii hyvin kannettaviin ja langattomiin sovelluksiin, joissa stabiilius on tärkeää. Tärkeimmistä teknisistä tiedoista käy ilmi, että laite on erittäin stabiili lämpötilan, syöttöjännitteen ja kuorman muutoksille sekä vanhenemiselle. Lisäksi se tarvitsee virtaa vain vajaat 2 mA (taulukko 1).

Kuva 7: ECS ECS-TXO-32CSMV on leikattua siniaaltoa tuottava kideoskillaattori, jonka sisäiset kompensointipiirit parantavat sen stabiiliutta huomattavasti. (Kuvan lähde: ECS Inc. International)

Taulukko 1: Lämpötilakompensoidun ECS-TXO-32CSMV ‑TXCO:n teknisistä tiedoista käy ilmi, miten laitteen sisäinen kompensointi parantaa stabiiliutta ulkoisista häiriöistä huolimatta. (Kuvan lähde: ECS Inc. International)

Pieni tehonkulutus on usein tärkeä asia

Yhä suurempitaajuisten prosessorikellojen ja datanopeuksien yleistymisestä huolimatta pienempitaajuisia kideoskillaattoreita tarvitaan edelleen erittäin pienitehoisten sovellusten ajoitukseen. Esimerkiksi ECS-327MVATX on minikokoinen pintaliitososkillaattori, joka toimii kiinteällä taajuudella 32,768 kHz. MultiVolt-ominaisuuden ansiosta jännite voi olla 1,6–3,6 volttia. Laitteen virrankulutus on vain 200 mikroampeeria (µA) ja siinä on epäsymmetrinen CMOS-lähtö. Se sopii hyvin reaaliaikaisiin kelloihin (RTC), pientehoisiin/kannettaviin sovelluksiin, teollisuuskäyttöön sekä esineiden internetin (IoT) sovelluksiin. Saatavana ovat kotelokoot 2016–7050 ja taajuuden stabiilius vaihtelee mallin mukaan korkeasta ±20 ppm:stä hieman vapaampaan ±100 ppm:ään lämpötilassa –40 ⁰C ... +85 ⁰C:n .

Monet oskillaattorit voidaan myös aktivoida ja deaktivoida keskitehon laskemiseksi. Esimerkiksi ECS-5032MV on 125 MHz:n pintaliitososkillaattori, jonka MultiVolt-jännitealue on 1,6–3,6 volttia. Tässä keraamiseen 5032-koteloon pakatussa laitteessa on CMOS-lähtö (kuva 8).

Kuva 8: ECS ECS-5032MV on 125 MHz:n pintaliitososkillaattori, jonka virrankulutusta voi säästää aktivoimalla ja deaktivoimalla. (Kuvan lähde: ECS Inc. International)

Yhtä oskillaattorin neljästä kontaktista käytetään laitteen siirtämiseen valmiustilaan, jolloin sen käyttämä virta laskee 35 milliampeerista (aktiivinen) vain 10 mikroampeeriin (µA) valmiustilassa. Laite käynnistyy uudelleen 5 millisekunnissa (ms) aktivoinnista.

Teknisten ominaisuuksien sovittaminen sovelluksen mukaan

Sopivan kideoskillaattorin valitseminen tiettyyn sovellukseen vaatii odotetusti teknisten tietojen, prioriteettien ja kustannusten suhteellisten merkitysten tasapainottamista. Asiaan liittyy paljon muutakin kuin pelkästään sellaisen laitteen valinta, jonka nimellistaajuus, taajuuden stabiilius, värinä/vaihekohina ja muut ominaisuudet täyttävät vaatimukset, kun laitetta käytetään erillisenä oskillaattorina. Käyttäjien täytyy myös varmistaa, että oskillaattorilähdön ohjauskyky sopii siihen liitetylle kuormalle ja järjestelmälle niin, ettei niiden paritus heikennä suorituskykyä. Huomioon otettavia asioita on paljon, mutta tässä on joitakin yleisiä ohjeita:

• LVDS-lähtö edellyttää vastaanottimelta vain yhden vastuksen, kun taas LVPECL-lähtö vaatii päätevastuksen sekä lähettimen että vastaanottimen päässä.
• Siirtymät ovat LVDS-, LVPECL- ja HCSL-laitteilla nopeampia kuin CMOS-laitteilla, mutta ne vaativat enemmän tehoa ja sopivat parhaiten suurtaajuussovelluksiin.
• Pienimmän tehontarpeen yli 150 MHz:n taajuuksilla tarjoaa CMOS tai LVDS.
• LVPECL, LVDS ja kolmantena CMOS tarjoavat parhaat värinäominaisuudet pienillä taajuuksilla.

Yhteenveto

Kvartsikideoskillaattori muodostaa monien piirien ja järjestelmien sydämen. Tämän suorituskyvyn sovittaminen sovelluksen vaatimuksiin edellyttää tärkeimpien parametrien huolellista tasapainotusta. Niihin kuluvat esimerkiksi nimellistaajuuden tarkkuus, stabiilius eri lämpötiloissa ja muut tekijät, kuten värinä ja vaihekohina. Lisäksi oskillaattorilähdön ohjausmuoto on sovitettava kuormituspiirin ominaisuuksiin. ECS MultiVolt -perheiden kideoskillaattorit tarjoavat ylivoimaisen suorituskyvyn ja erilaisia ominaisuusyhdistelmiä valmiissa ja helppokäyttöisissä moduuleissa.