Sfide operative e di progettazione degli oscillatori a cristallo

La temporizzazione dei circuiti è una funzione fondamentale richiesta da molti dispositivi elettronici, tra cui microcontroller, interfacce USB, Ethernet, Wi-Fi e Bluetooth, nonché dispositivi e periferiche informatiche, dispositivi medici, apparecchiature di test e misurazione, controllo e automazione industriale, Internet delle cose (IoT), dispositivi indossabili ed elettronica di consumo. Anche se inizialmente la progettazione di un oscillatore controllato da cristallo-per fornire la temporizzazione del sistema può sembrare semplice, i progettisti devono considerare numerosi parametri e requisiti di progettazione quando abbinano il cristallo di quarzo al circuito integrato dell'oscillatore.

Ci sono diversi fattori da considerare, tra cui l'impedenza del movimento del cristallo, la modalità di risonanza, la potenza di azionamento e la resistenza negativa dell'oscillatore. In termini di layout del circuito, i progettisti devono tenere conto della capacità parassita del PCB, aggiungere una fascia protettiva attorno al cristallo e incorporare condensatori sul-chip. Il progetto finale deve essere compatto e affidabile, con il minor numero di componenti, un jitter efficace (RMS) basso e un consumo energetico minimo su un ampio intervallo di tensioni di ingresso.

Un semplice oscillatore a cristallo confezionato (SPXO) è una soluzione. Questi oscillatori a tensione continua sono ottimizzati per un basso consumo energetico e un basso jitter RMS e possono funzionare a qualsiasi tensione compresa tra 1,60 V e 3,60 V, consentendo ai progettisti di ottenere una soluzione che può essere integrata nel sistema con il minimo sforzo di progettazione.

Questo articolo discuterà brevemente alcuni degli importanti requisiti prestazionali che devono essere soddisfatti e le sfide progettuali che devono essere superate quando si progettano circuiti di temporizzazione utilizzando cristalli di quarzo discreti e circuiti integrati di temporizzazione. Successivamente presenterà le soluzioni SPXO di Abracon e spiegherà come i progettisti possono utilizzare questi dispositivi per soddisfare in modo efficace i requisiti di temporizzazione dei sistemi elettronici.

Funzionamento dell'oscillatore a cristallo e sfide di progettazione

Il consumo energetico è una considerazione fondamentale per i piccoli dispositivi wireless-alimentati a batteria. Molti di questi dispositivi sono basati su processori e radio-a basso-consumo-on-chip (SoC) in grado di supportare una durata della batteria di diversi anni. Inoltre, poiché la batteria è spesso il componente più costoso del sistema, ridurne al minimo le dimensioni è fondamentale per controllare i costi del dispositivo. Detto questo, la corrente di standby è spesso l’elemento più critico da considerare per la durata della batteria nei piccoli sistemi wireless, e la corrente di standby è spesso dominata dall’oscillatore dell’orologio. Pertanto, è fondamentale ridurre al minimo il consumo di corrente dell'oscillatore.

Sfortunatamente, progettare un oscillatore a bassa-potenza può essere impegnativo. Un metodo per risparmiare energia è ridurre al minimo la corrente di standby inserendo uno stato "disabilitato" e avviando l'oscillatore quando necessario. Tuttavia, richiedere che un oscillatore a cristallo si avvii in modo rapido e affidabile non è un compito facile. I progettisti devono garantire che l'oscillatore rimanga in uno stato di bassa-corrente durante lo standby e abbia caratteristiche di avvio affidabili in tutte le condizioni operative e ambientali.

 

 

La configurazione dell'oscillatore Pierce si trova comunemente nei SoC wireless a basso-consumo (Figura 1). L'oscillatore Pierce è costruito utilizzando un cristallo (X) e condensatori di carico (C1 e C2), circondati da un amplificatore invertente con un resistore di feedback interno. In condizioni adeguate, quando l'uscita dell'amplificatore viene restituita all'ingresso, viene generata una resistenza negativa che porta all'oscillazione.

Figura 1: Configurazione base dell'oscillatore Pierce costruito attorno al cristallo (X) e ai condensatori di carico C1 e C2.

 

La struttura cristallina è complessa; questa discussione copre solo lo strato superiore e la struttura semplificata dei cristalli che operano negli oscillatori.

Il margine di guadagno ad anello chiuso-Gm può essere utilizzato come figura di merito (FOM) per descrivere l'affidabilità di un oscillatore rispetto a varie perdite. Il margine di guadagno ad anello chiuso- viene anche definito margine di oscillazione (OA). Un valore OA inferiore a 5 può portare a una bassa produttività e a problemi di avvio legati alla temperatura-. I progetti con un valore OA pari o superiore a 20 sono robusti e durevoli, funzionano in modo affidabile entro l'intervallo di temperature operative di progetto e presentano un impatto minimo da diversi lotti di produzione sulle caratteristiche prestazionali del cristallo e del SoC.

Per misurare l'OA dell'oscillatore, è possibile aggiungere al circuito un resistore variabile Ra (Figura 2). Aumentare il valore Ra finché l'oscillatore non riesce ad avviarsi. Questo è il metodo utilizzato per determinare il valore OA, come mostrato di seguito:

Equazione 1

Dove:

Rn è la resistenza negativa

Re è la resistenza in serie equivalente (ESR).

Equazione 2

Equazione 3

Dove la capacità di carico CL viene calcolata come segue:

L'OA dipende dall'ESR (Re) e l'ESR dipende dai parametri del cristallo di quarzo Rm e dalla capacità di carico CL. Per gli oscillatori a bassa-potenza, come quelli utilizzati nei dispositivi wireless a bassa-potenza, l'influenza di Rm e CL sull'OA aumenta. La misurazione dell'OA richiede tempo-e può prolungare il processo di sviluppo. Pertanto, questa attività potrebbe essere trascurata, causando problemi di prestazioni quando il sistema o il dispositivo viene messo in produzione.

Inoltre, l'impostazione di un OA elevato per garantire un funzionamento affidabile dell'oscillatore può causare altri problemi. Ad esempio, mentre un OA più elevato migliora le prestazioni del circuito dell'oscillatore, potrebbe trascurare le perdite di potenza causate dal cristallo. Tali perdite possono essere un fattore significativo. Facendo riferimento alla Figura 2, la resistenza al movimento del cristallo Rm provoca la dissipazione di potenza poiché la corrente scorre periodicamente attraverso il resistore. Quando CL è grande, aumenta sia la corrente che le perdite. Pertanto, i progettisti devono bilanciare la perdita di potenza dei cristalli con un valore OA ragionevole.

Evitare il jitter

Quando si progetta un oscillatore a cristallo di quarzo, è importante comprendere e ridurre il jitter. Il jitter è di due tipi, generalmente misurato dal valore RMS (root mean quadratise):

Jitter di periodo: noto anche come jitter di fase, si riferisce alla massima differenza di tempo tra diversi periodi di oscillazione misurati, generalmente misurati su almeno 10 periodi.

Jitter del ciclo: questa è la variazione massima nel limite di un clock, misurata per ciascun ciclo anziché per più cicli.

Le principali fonti di jitter negli oscillatori a cristallo di quarzo includono rumore di alimentazione, armoniche intere della frequenza del segnale, condizioni di caricamento e terminazione improprie, rumore dell'amplificatore e alcune configurazioni di circuito. A seconda della sorgente, è possibile utilizzare metodi diversi per ridurre al minimo il jitter.

Utilizza condensatori di bypass, induttori su chip o filtri resistori-condensatori (RC) per controllare il rumore dell'alimentatore.

Nelle applicazioni critiche che richiedono un jitter estremamente basso, è fondamentale stabilire un metodo per controllare le armoniche (oltre lo scopo di questo articolo).

Ridurre la potenza riflessa all'uscita ottimizzando le condizioni di carico e di terminazione.

Evita progetti che includono loop-ad aggancio di fase, moltiplicatori o funzioni programmabili, poiché spesso aumentano il jitter.

Oscillatori a cristallo a tensione continua

L'utilizzo degli SPXO ASADV, ASDDV e ASEDV di Abracon è vantaggioso per la progettazione di sistemi in cui la tensione di polarizzazione varia tra 1,60 e 3,60 V (Figura 3). La serie SPXO copre diverse gamme di frequenza; I dispositivi ASADV funzionano a frequenze da 1,25 MHz a 100 MHz, mentre i dispositivi ASDDV e ASEDV funzionano da 1 MHz a 160 MHz. La serie è conforme agli standard RoHS/RoHS II e utilizza un imballaggio SMD (dispositivo a montaggio superficiale) in ceramica sigillato. Nell'intervallo di temperatura operativa compreso tra -40 gradi e +85 gradi, la serie raggiunge una stabilità di frequenza di ±25 ppm.
 

L'OA dipende dall'ESR (Re) e l'ESR dipende dai parametri del cristallo di quarzo Rm e dalla capacità di carico CL. Per gli oscillatori a bassa-potenza, come quelli utilizzati nei dispositivi wireless a bassa-potenza, l'influenza di Rm e CL sull'OA aumenta. La misurazione dell'OA richiede tempo-e può prolungare il processo di sviluppo. Pertanto, questa attività potrebbe essere trascurata, causando problemi di prestazioni quando il sistema o il dispositivo viene messo in produzione.

Inoltre, l'impostazione di un OA elevato per garantire un funzionamento affidabile dell'oscillatore può causare altri problemi. Ad esempio, mentre un OA più elevato migliora le prestazioni del circuito dell'oscillatore, potrebbe trascurare le perdite di potenza causate dal cristallo. Tali perdite possono essere un fattore significativo. Facendo riferimento alla Figura 2, la resistenza al movimento del cristallo Rm provoca la dissipazione di potenza poiché la corrente scorre periodicamente attraverso il resistore. Quando CL è grande, aumenta sia la corrente che le perdite. Pertanto, i progettisti devono bilanciare la perdita di potenza dei cristalli con un valore OA ragionevole.

Evitare il jitter

Quando si progetta un oscillatore a cristallo di quarzo, è importante comprendere e ridurre il jitter. Il jitter è di due tipi, generalmente misurato dal valore RMS (root mean quadratise):

Jitter di periodo: noto anche come jitter di fase, si riferisce alla massima differenza di tempo tra diversi periodi di oscillazione misurati, generalmente misurati su almeno 10 periodi.

Jitter del ciclo: questa è la variazione massima nel limite di un clock, misurata per ciascun ciclo anziché per più cicli.

Le principali fonti di jitter negli oscillatori a cristallo di quarzo includono rumore di alimentazione, armoniche intere della frequenza del segnale, condizioni di caricamento e terminazione improprie, rumore dell'amplificatore e alcune configurazioni di circuito. A seconda della sorgente, è possibile utilizzare metodi diversi per ridurre al minimo il jitter.

Utilizza condensatori di bypass, induttori su chip o filtri resistori-condensatori (RC) per controllare il rumore dell'alimentatore.

Nelle applicazioni critiche che richiedono un jitter estremamente basso, è fondamentale stabilire un metodo per controllare le armoniche (oltre lo scopo di questo articolo).

Ridurre la potenza riflessa all'uscita ottimizzando le condizioni di carico e di terminazione.

Evita progetti che includono loop-ad aggancio di fase, moltiplicatori o funzioni programmabili, poiché spesso aumentano il jitter.

Riepilogo

I progettisti richiedono oscillatori accurati e affidabili per fornire una temporizzazione stabile in un'ampia gamma di applicazioni e temperature operative. Gli oscillatori controllati da cristalli discreti-possono soddisfare le caratteristiche prestazionali richieste, ma è tecnicamente impegnativo progettare in modo efficace utilizzando i cristalli, il che richiede tempo-e comporta costi inutili. Inoltre, non sono la scelta ottimale in termini di fattore di forma.

Come mostrato nella figura, i progettisti possono utilizzare SPXO integrati a basso-consumo. Questi SPXO costituiscono una soluzione di temporizzazione pronta-all'uso-, ottenendo un'eccellente stabilità di frequenza in un intervallo di temperature operative molto ampio. Utilizzando gli SPXO, i progettisti possono ridurre il numero di componenti, ridurre al minimo le dimensioni della soluzione, abbassare i costi di assemblaggio e migliorare l'affidabilità.