Een oscillator selecteren en doeltreffend toepassen

By Art Pini

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

De komst van synchrone digitale systemen maakte van de bescheiden oscillator het kloppende hart van moderne digitale systemen die op microprocessors gebaseerd zijn. De duizenden toepassingen lagen aan de grondslag van een zeer breed assortiment oscillatorbronnen en -configuraties die gebruik maken van resonatorstructuren met verdeelstukken.

Toch wordt de keuze voor een oscillator vaak meteen afgewezen, zonder dat men het gebruik ervan goed begrijpt wegens een verscheidenheid aan resonators, vele verschillende interne versterkers en heel wat verschillende temperatuurstabilisatieschema's. Deze hebben allemaal invloed op de omvang, de nauwkeurigheid, de stabiliteit en de kostprijs van het apparaat, en op de manier waarop zij in een ontwerp moeten worden toegepast.

Dit artikel helpt ontwerpers om de werking en de structuur van oscillators beter te begrijpen, en legt de kritieke specificaties uit en geeft aan hoe ze aan de vereisten van het ontwerp beantwoorden.

Tijdens het proces wordt onderzoek gedaan naar de golfvorm van de output, frequentienauwkeurigheid en -stabiliteit, faseruis, jitter, last- en temperatuurvariatie, en de kostprijs, maar ook hoe oscillators het best worden toegepast om het ontwerp een succes te laten worden.

Basisprincipes van de oscillator

Oscillators zijn elektronische circuits die periodieke golfvormen met een gewenste frequentie genereren. Een functioneel blokdiagram van een algemene oscillator bevat een versterker en een feedbackpad met een frequentieselectief feedbacknetwerk (afbeelding 1). Oscillatie kan worden gestart en aangehouden als de lusversterking gelijk is aan of groter is dan de eenheid op de gewenste oscillatiefrequentie, terwijl tezelfdertijd de faseverschuiving over de lus gelijk is aan een veelvoud van 2p radialen. Dit is een positieve feedbackconditie.

Het frequentieafhankelijke netwerk kan een inductor-condensator (LC) of weerstand-condensator (RC) netwerk zijn, maar precisieoscillators maken gewoonlijk gebruik van een resonator. De keuze voor het resonatortype is een van de specificaties die in beschouwing moet worden genomen, omdat die elk hun sterke punten en hun zwakke punten hebben.

Werkingsdiagram van een basisoscillator

Afbeelding 1: werkingsdiagram van een basisoscillator bestaande uit een versterker met een frequentieselectief netwerk of resonator in een positieve feedbackconfiguratie. (Bron van de afbeelding: Digi-Key Electronics)

Vaak gebruikte resonators zijn kwartskristal, SAW-filters (surface acoustic wave filters = filters voor oppervlaktegeluidsgolven) of micro-elektromechanische systemen (MEMS).

Wanneer een dergelijke oscillator voor de eerste keer wordt ingeschakeld, is ruis het enige signaal in het circuit. Het ruiselement op een frequentie die voldoet aan de versterking en fase bevestigt dat oscillatie over de circuitlus loopt met toenemende amplitude wegens de positieve feedback van het circuit. De signaalamplitude neemt toe tot die wordt begrensd door de kenmerken van de versterker of door een externe automatische versterkingsregeling (AGC-unit: “automatic gain control”). De golfvorm van de output van de oscillator kan op dit punt gecontroleerd worden, waarbij de gebruikelijke keuzes van de golfvorm sinusvormige, geklemd sinusvormige of logische (“0” of “1”) outputs zijn. Indien voor logische outputs wordt gekozen, moet men ook een logicafamilie (HCMOS, TTL, ECL, LVDS…) selecteren.

Sinusvormige outputs worden in hoofdzaak gebruikt voor het genereren van signaal bij een drager- en lokale oscillator in toepassingen voor communicatiesystemen, waar spectrale zuiverheid uiterst belangrijk is. De sinusvormige golf heeft alleen groot vermogen bij de grondfrequentie en weinig of geen vermogen bij harmonische frequenties.

De basisspecificatie voor oscillators is frequentiestabiliteit, die bepaalt hoe goed de oscillator zijn frequentie behoudt. Een hiermee verbonden specificatie is veroudering, die een verloop in de frequentie van de oscillator bepaalt over een lange tijdsspanne, gewoonlijk een jaar. Gezien de snelheid van de toepassingen toeneemt, wordt de variatie in de fase van de oscillator op korte termijn een belangrijk probleem. De variatie in de fase op korte termijn wordt beschreven als faseruis van de oscillator. Faseruis is een domeinspecificatie van de frequentie. De equivalente tijddomeinspecificatie is fasejitter of tijdsintervalfout.

Resonators

Het feedbacknetwerk in de basisoscillator kan een van de vele mogelijke resonante structuren zijn. Kwartskristal komt het vaakst voor. Kwartskristalresonators maken gebruik van het piëzo-elektrische effect. Een kleine spanning die door een kristal gaat, doet het kristal vervormen, en een kracht die op het kristal wordt uitgeoefend, produceert een elektrische lading. Deze reeks elektromechanische uitwisselingen vormt de basis van een zeer stabiele oscillator. Dit effect produceert oscillaties op specifieke frequenties naargelang het type kristal, de geometrische oriëntatie waarop het kristal is gesneden, en de afmetingen ervan.

De kristallen worden tussen twee elektroden gehouden, die de input en output van de kristalresonator vormen. In deze omstandigheden treedt het kristal op als een zeer selectief LC-circuit (afbeelding 2). Merk op dat het kristal in zijn houder wordt voorgesteld door een serieel RLC-circuit, dat de seriële resonante frequentie voorstelt, gedomineerd door de modelcomponenten LS en CS. De parallel aangesloten condensator stelt de capaciteit van de houder voor en de ermee verbonden bedrading. De parallelle capaciteit CP reageert met de seriële inductantie LS, wat resulteert in een parallelle resonante frequentie. Tijdens de werking domineert de seriële resonantie de werking van de resonator. De grondfrequenties van het kristal variëren van een range in kilohertz (kHz) tot ongeveer 200 megahertz (MHz).

Diagram van equivalent circuitmodel voor een kwartskristal

Afbeelding 2: equivalent circuitmodel voor een kwartskristal. Modelcomponent LS en CS bepalen de seriële resonante frequentie, terwijl LS, CS, en CP de parallelle resonantie bepalen. (Bron van de afbeelding: Digi-Key Electronics)

Een andere, vaak gebruikte resonator is het oppervlaktegeluidsgolvenapparaat (SAW) (afbeelding 3).

Diagram van SAW-filter/resonator die gebruik maakt van interdigitale transducers

Afbeelding 3: een SAW-filter/resonator maakt gebruik van interdigitale transducers gemonteerd op een piëzo-elektrisch substraat om oppervlaktegeluidsgolven te genereren doorheen de tussenruimte tussen de transducers, waardoor een frequentieafhankelijke respons op de uitgang wordt geproduceerd. (Bron van de afbeelding: Digi-Key Electronics)

De SAW-filter is een frequentieselectief apparaat dat gebruik maakt van een oppervlaktegeluidsgolf die over het oppervlak van een elastisch substraat wordt gepropageerd. De oppervlaktegeluidsgolven (SAW's) worden gegenereerd en gedetecteerd aan de hand van interdigitale transducers (IDT) gevormd door geleidende paden op het substraat, zoals in de afbeelding geïllustreerd. SAW-filters/resonators werken met een frequentiebereik van 10 MHz tot 2 gigahertz (GHz). De frequentie is afhankelijk van de afmeting van de IDT-elementen en de kenmerken van het materiaal van het substraat. De circuitmodellen voor een SAW-apparaat zijn dezelfde als voor een kwartskristal. SAW-resonators kunnen op goedkope wijze worden gemaakt aan de hand van fotolithografie in kleine pakketten voor een lage kostprijs. Deze oscillators worden SAW-oscillators of SO's genoemd.

De laatste resonatortechnologie die in dit artikel wordt besproken, is op micro-elektromechanische systemen (MEMS) gebaseerd. MEMS maken gebruik van standaard halfgeleidende fabricatieprocessen om mechanische elementen in miniatuurversie te produceren. De grootte van deze apparaten kan variëren van enkele microns tot enkele millimeter. Resonators die verwant zijn met stemvorken voor hoge frequentie, zijn ontworpen om onder elektrostatische excitatie te trillen. De gegoten structuren van deze resonators zijn gecombineerd met een programmeerbare oscillator/controller IC (afbeelding 4).

Diagram van een MEMS-oscillatormodule

Afbeelding 4: een MEMS-oscillatormodule combineert een mechanische structuur van een MEMS met een oscillator/controller IC in één enkel pakket. (Bron afbeelding: SiTime)

De oscillator/driver bekrachtigt de MEMS-structuur en voedt de output ervan naar een fractionele N-fasevergrendellingslus (PLL = phase locked loop) die de outputfrequentie van het MEMS-apparaat vermenigvuldigt met een programmeerbare factor 'N'. Het eenmalig programmeerbare (OTP = one-time-programmable) geheugen slaat de configuratieparameters van de module op. Temperatuurcompensatie wordt bereikt door de outputfrequentie binnen de PLL aan te passen. De PLL kan ook geprogrammeerd worden, zodat de oscillator een digitaal aangestuurde frequentie-output krijgt.

Het grootste voordeel van de MEMS-oscillator is zijn immuniteit voor mechanische schokken en trillingen. Dit is een belangrijke factor in mobiele toepassingen zoals mobiele telefoons, camera's en polshorloges.

Oscillatorcircuittypes

De circuittopologie van modulaire oscillators is al vele tientallen jaren in ontwikkeling en er zijn momenteel vele technologieën voorhanden. In bijna alle gevallen werden verbeteringen aan het circuit doorgevoerd om de nauwkeurigheid en stabiliteit van de outputfrequentie van de oscillator te verbeteren. Voorbeelden aangehaald in de vorige paragraaf omvatten SAW- en MEMS-oscillators die niet op kwarts gebaseerd zijn. De technieken die op kwartsoscillators zijn toegepast, kunnen ook op eender welk type oscillator worden toegepast. Deze oscillators zijn voorzien om te werken in een 15 picofarad (pF) belastingscapaciteit. Variaties in de belastingscapaciteit hebben invloed op de werkingsfrequentie.

De vergelijkingsbasis voor deze topologieën is de zuivere kwartskristaloscillator (XO) (afbeelding 5). Dit voorbeeld is geïmplementeerd, gebruik makend van logische poorten, en omvat een varactordiode om te kunnen fijnstellen. Deze eenvoudige oscillators vertonen frequentiestabiliteit in de orde van 20 tot 100 deeltjes per miljoen (ppm).

Diagram van een geïmplementeerde basiskristaloscillator die gebruik maakt van logische omvormers

Afbeelding 5: een geïmplementeerde basiskristaloscillator die gebruik maakt van logische omvormers omvat een voorziening voor spanningscontrole via een varactordiode serieel met het kwartskristal. (Bron van de afbeelding: Digi-Key Electronics)

De Abracon ASV-10.000MHZ-LCS-T is een kristalklokoscillator met opbouwmontage. Het heeft een digitale output met logisch niveau HCMOS. Oscillators van dit type hebben lage kostprijs als belangrijkste voordeel. De frequentiestabiliteit bedraagt ±50 ppm, maar andere apparaten in deze groep oscillators hebben stabiliteitspecificaties van 20 tot 100 ppm. Temperatuurschommeling vormt een primaire oorzaak voor frequentieverloop. Een andere oorzaak is veroudering van het kristal of frequentiewijziging na verloop van tijd. De mate van veroudering is proportioneel ten opzichte van de basisstabiliteit. In het geval van deze oscillator bedraagt de veroudering ±5 ppm per jaar. De XO’s zijn geschikt voor toepassingen van algemene aard die geen hoge frequentiestabiliteit vereisen. Dergelijke toepassingen omvatten een klokbron voor een microprocessor.

De temperatuurgecompenseerde kristaloscillator of ‘TCXO’ voegt circuitelementen toe om variaties te compenseren van de kwartsresonator en -versterker, die met temperatuur verband houden (afbeelding 6).

Diagram van kwartsresonator en -versterker

Afbeelding 6: de kwartsresonator en -versterker zijn temperatuurgevoelig, daarom voegt de TCXO een temperatuursensor en een temperatuurcompensatienetwerk toe, om frequentieverloop te corrigeren. (Bron van de afbeelding: Digi-Key Electronics)

Een temperatuursensor, bijvoorbeeld een thermistor, wordt gebruikt om een correctiespanning te ontwikkelen, die wordt toegepast via een geschikt netwerk op een spanningsvariabele varactordiode die serieel is met het kristal om de frequentie te controleren. Dit werkt door het veranderen van de capacitieve belasting van het kwartskristal. Een verbetering van de frequentiestabiliteit tot twintig keer of zelfs meer, kan via temperatuurcompensatie worden verkregen.

De Abracon ASTX-H12-10.000MHZ-T is een typische TCXO met een HCMOS-outputniveau en een frequentiestabiliteitspecificatie van ±2 ppm. De kostprijs bedraagt ongeveer drie keer de kostprijs voor een basis XO.

Een andere benadering voor temperatuurstabilisatie bestaat erin om de oscillatormodule in te kapselen in een oven met gecontroleerde temperatuur (afbeelding 7). Deze topologie wordt de via oven gecontroleerde kristaloscillator (OCXO) genoemd.

Diagram van OCXO die de temperatuur van de oscillator stabiliseert

Afbeelding 7: de OCXO stabiliseert de temperatuur van de oscillator door die in een oven in te kapselen met een ingestelde temperatuur die overeenstemt met de temperatuur waar de curve van de frequentie vs. temperatuur van het kristal een nulhelling vertoont. (Bron van de afbeelding: Digi-Key Electronics)

De kristaloscillator is ingekapseld in een oven met gecontroleerde temperatuur. De oventemperatuur is ingesteld op een waarde waar de curve van de frequentie vs. temperatuur van het kristal een nulhelling vertoont, zodat kleine temperatuurschommelingen weinig of geen invloed hebben op de frequentie van de oscillator. De OCXO kan de stabiliteit van de oscillator meer dan duizend keer verbeteren. Dergelijke oscillators zijn nodig bij toepassingen die een nauwkeurige timing vereisen, zoals navigatiesystemen of seriële gegevenscommunicatie met hoge snelheid.

De Connor-Winfield DOC050F-010.0M is een OCXO met LVCMOS-outputniveaus. Het heeft een specifieke frequentiestabiliteit van ±0,05 ppm. Deze verbeterde prestaties betekenen een groter stroomverbruik door de oven, een grotere omvang en meer kosten (ongeveer 30 tot 40 keer meer in vergelijking met een XO) met betrekking tot de basiskristaloscillator.

De eerder behandelde MEMS-oscillator is een voorbeeld van de digitaal aangestuurde oscillator (DCXO).

De SiTime SIT3907AC-23-18NH-12.000000X is een op MEMS gebaseerde DCXO met een logische output LVCMOS en een frequentiestabiliteit van 10 ppm. Het heeft de mogelijkheid om een frequentieverandering te programmeren aan de hand van de interne PLL met “trekbereik” van ±25 tot ±1600 ppm.

Een via microcomputer aangestuurde kristaloscillator (MCXO) heeft een frequentiestabiliteit die gelijk is aan die van de OCXO met een kleiner pakket voor lagere vermogensvereisten. MCXO's stabiliseren hun outputfrequenties aan de hand van een van de volgende twee methoden. De eerste bestaat erin om de bronoscillator te laten werken op een hogere frequentie dan de gewenste output en impulsdetectie te gebruiken om de gewenste outputfrequentie te verkrijgen. De tweede methode bestaat erin om de interne bronoscillator lichtjes onder de gewenste outputfrequentie te laten werken en een correctiefrequentie, gegenereerd door een interne DDS (direct digital synthesizer), aan de bronoutputfrequentie toe te voegen.

De IQD Frequency Products LFMCXO064078BULK is een MCXO die compatibel is met HCMOS, met een frequentiestabiliteit van 0,05 ppm. De productgroep omvat oscillators met belangrijke vaste frequenties tussen 10 en 50 MHz. Het fysieke volume is slechts 88 mm3 en het vereist slechts 10 milliampère (mA) bij 3,3 volt, voor een totaal vermogenverbruik van 33 milliwatt (mW).

Bepaalde toepassingen vereisen dat de frequentie van een oscillator wordt aangepast. Dit kan zowel via digitale als analoge controle gebeuren. Analoge controle wordt tot stand gebracht aan de hand van een kristaloscillator met spanningscontrole (VCXO). Afbeelding 5 laat zien hoe een oscillator kan worden afgesteld door een spanning toe te passen op een varactordiode die serieel is met de resonator en de frequentie ervan te laten verlopen door de belastingscapaciteit te wijzigen. Dit is het principe dat aan de grondslag ligt van de VCXO.

De Integrated Device Technology Inc.'s XLH53V010.000000I is een voorbeeld van een VCXO die HCMOS-outputniveaus en een frequentiestabiliteit van ±50 ppm biedt. Het trekbereik van een VCXO geeft de maximale frequentieafwijking aan die kan worden verkregen door de controlespanning te veranderen. Deze oscillator heeft een trekbereik van ±50 ppm. Voor de nominale outputfrequentie van 10 MHz bedraagt het trekbereik ±500 Hz.

De SAW-oscillator beschreven in de paragraaf over resonators is een andere, goedkopere oscillator die zich door hoge betrouwbaarheid onderscheidt. De EPSON XG-1000CA 100.0000M-EBL3 is een voorbeeld van een SO. Deze apparaten worden gebruikt in toepassingen met vaste frequentie, bijvoorbeeld zenders met afstandbediening. Ze bieden goede stabiliteit- en jitterspecificaties, maar het grootste voordeel is de betrouwbaarheid.

Oscillators in functie van toepassingen bepalen

Gewoonlijk zijn apparaten met zeer goede frequentiestabiliteit vereist voor toepassingen die oscillators gebruiken als basis voor nauwkeurige tijd. Als dusdanig doen toepassingen met gps-technologie het goed met oscillators op basis van OCXO of MCXO. Waar isolatie tegen schokken en trillingen een vereiste is, vormt een SO-oscillator de beste keuze voor deze toepassing. Seriële interfaces voor kloktoepassingen met hoge snelheid vereisen lagere timing jitter. De kostprijs is een factor in alle ontwerpen en varieert gewoonlijk volgens de graad van frequentiestabiliteit die wordt geboden. Andere factoren zoals de grootte of vermogenvereisten zijn afhankelijk van het apparaat, op basis van de aangewende technologie. Hier kunnen bouwkundige afwegingen vereist zijn. Tabel 1 geeft een vergelijking van de belangrijkste specificaties van de oscillators besproken in dit artikel, aan de hand waarvan men op hun afzonderlijke kenmerken en voordelen kan focussen.

Type Model Resonator Frequentie (MHz) Frequentiestabiliteit (±ppm) Veroudering (±ppm) Jitter Vermogen (mW) Volume (mm3)
XO Abracon ASV-serie Kristal 10 50 5 2,5 33 64
VCXO IDT XLH-serie Kristal 10 50 3 1,3 106 24
SO Epson XG-1000CA-serie SAW 100 50 5 3 36 49
DCXO SiTIME SIT3907AC-23-18NH-serie MEMS 10 50 5 1 62 6,6
TCXO Abracon ASTX-serie Kristal 10 2,5 1 1,6 a 13 4,75
MCXO IQD LFMC-serie Kristal 12 0,05 1 1,6 a 61 84
OCXO Connor-Winfield DOC050F-serie Kristal 10 0,05 0,3 1 2500/1100 b 1000

Opmerkingen:

  1. Berekende schatting van faseruis
  2. Opstart/stabiele toestand

Tabel 1: typische parameters om verschillende oscillators met elkaar te vergelijken. Ze zijn elk gekozen op basis van de ontwerpvereisten en andere factoren, zoals de kostprijs en beschikbaarheid op het moment van het ontwerp. (Bron tabel: Digi-Key Electronics)

De oscillators in de tabel zijn volgens frequentiestabiliteit gerangschikt. Merk op dat in dit artikel specifieke outputfrequenties werden gebruikt, maar dat al deze oscillators een range outputfrequenties binnen elke modelserie biedt.

Conclusie

Een goed begrip van de bouw en de werking van een oscillator is een grote hulp voor ontwerpers die oplossingen zoeken om een juiste keuze te maken volgens de vereisten van hun toepassing. Zoals altijd moeten er bouwkundige afwegingen worden gemaakt bij de keuze van een oscillator die men voor een ontwerpproject gaat gebruiken, waarbij kostprijs, vermogen, ruimte, stabiliteit en nauwkeurigheid een rol spelen, maar de verscheidenheid aan oscillators die men nu voorhanden heeft, beperkt deze afwegingen dankzij pasklare oplossingen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini is een verdienstelijke auteur bij Digi-Key Electronics. Hij behaalde een Bachelor-diploma in Elektrotechniek bij het City College van New York en een Master-diploma in Elektrotechniek bij de City University van New York. Hij heeft meer dan 50 jaar ervaring in elektronica en vervulde belangrijke technische en marketingfuncties bij Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek en Nicolet Scientific. Hij is geïnteresseerd in meettechnologie en heeft heel veel ervaring met oscilloscopen, spectrumanalysators, arbitraire golfvormgenerators, digitizers en vermogenmeters.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key