EUR | USD

Kristaloscillatorparameters begrijpen om de keuze van onderdelen te optimaliseren

Door Bill Schweber

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Kwartsgebaseerde kristaloscillators zijn de kerncomponenten die verantwoordelijk zijn voor de nauwkeurigheid van de frequentie/tijdsbepaling en de prestaties in vrijwel alle elektronische schakelingen. Als zodanig moeten zij in de loop van de tijd nauwkeurig en precies zijn. Natuurlijk bestaat de "perfecte" oscillator alleen in theorie, dus het probleem voor ontwerpers is de juiste oscillator om aan de ontwerpdoelstellingen te voldoen. Dit is geen gemakkelijke taak.

Zodra de prestatie-eisen voor de toepassing zijn vastgesteld, moeten ontwerpers de oplossing vinden met het juiste evenwicht tussen prestaties, kosten, stabiliteit, afmetingen, vermogen, fysieke structuur en aandrijfmogelijkheden voor de bijbehorende schakelingen. Daartoe moeten zij inzicht hebben in de werkingsprincipes van oscillators, de belangrijkste kenmerken ervan en hoe zij zich hebben ontwikkeld.

Dit artikel geeft een overzicht van de basisprincipes van kristaloscillators, alvorens in te gaan op de verschillende perspectieven met betrekking tot krachtige kristaloscillatormodules. Vervolgens zal het, met behulp van representatieve apparaten van ECS Inc., kort de basisprincipes van deze oscillatoren bespreken voordat de parameters van het hoogste en tweede niveau worden geïdentificeerd, samen met enkele realistische waarden voor deze parameters. Ook zal worden getoond hoe verschillende eenheden zijn afgestemd op de behoeften van enkele typische toepassingen.

Hoe kristaloscillators werken

Kristaloscillatorsleveren de klokhartslag voor processoren, bit-timing voor datalinks, samplingtijd voor dataconversies, en de masterfrequentie in tuners en synthesizers. Vereenvoudigd gezegd fungeert het kwartselement van de kristaloscillator als een resonant element met een extreem hoge Q-waarde binnen het terugkoppelingsnetwerk van een oscillatorschakeling (Afbeelding 1). Gezien het belang van kristallen en hun oscillators zijn de fundamentele fysica van het materiaal kwarts en zijn elektrische en mechanische prestaties, samen met de verschillende oscillatorcircuits, uitvoerig onderzocht en geanalyseerd.

Schema van kristalfuncties als hoogkwalitatief, stabiel en nauwkeurig resonantie-elementAfbeelding 1: Door gebruik te maken van het piëzo-elektrisch effect fungeert een kristal als een hoogQ, stabiel en precies resonantie-element in de terugkoppellus van een oscillatorschakeling. (Bron afbeelding: ECS Inc. International, aangepast)

Jarenlang specificeerden de gebruikers de frequentie van het kristal en andere belangrijke kenmerken, waarna zij hun eigen afzonderlijke oscillatorschakeling maakten met behulp van vacuümbuizen (in de begindagen), vervolgens transistors, en tenslotte IC's. Deze schakeling was gewoonlijk een combinatie van zorgvuldige ontwerpanalyse en een zekere "kunst" en op ervaring gebaseerd oordeel, aangezien er vele onderling samenhangende subtiliteiten waren. De ontwerper zal trachten deze factoren in evenwicht te brengen om de oscillatorprestaties af te stemmen op de "cut" en de kenmerken van het kwartskristal, alsmede op de prioriteiten van de toepassing.

Tegenwoordig zijn dergelijke doe-het-zelf (DIY) kristaloscillatorontwerpen betrekkelijk zeldzaam, omdat het tijd en moeite kost om het eerste ontwerp goed te krijgen. Dan is er nog de nauwkeurige meting van de prestaties van een oscillator. Dit is ingewikkeld en vereist precisie-instrumentatie en een zorgvuldige opstelling. In plaats daarvan kunnen ontwerpers voor vele toepassingen een kleine, volledig gesloten module aanschaffen die zowel het kwartselement als de oscillatorschakeling en de uitgangsdriver omvat. Dit vermindert uiteraard de ontwerpinspanning en -tijd, terwijl de gebruiker een volledig gekarakteriseerde eenheid krijgt en een datasheet met gegarandeerde specificaties.

Een opmerking over terminologie: Om historische en andere redenen gebruiken ingenieurs vaak het woord "kristal" wanneer zij het eigenlijk hebben over het gehele kristaloscillatorcircuit. Dit is normaal gesproken geen probleem, aangezien de bedoelde betekenis uit de context wordt begrepen. Dit kan echter soms tot verwarring leiden, omdat het nog steeds mogelijk is een kristal als een op zichzelf staand onderdeel aan te schaffen en vervolgens te voorzien in afzonderlijke oscillatorschakelingen. In dit artikel wordt het woord "oscillator" gebruikt om te verwijzen naar het kristal plus het oscillatorcircuit als een zelfstandige module in plaats van alleen het oscillatorcircuit.

Karakterisering van kristaloscillators

Zoals bij elk onderdeel worden de prestaties van de kristaloscillator in eerste instantie bepaald door een reeks parameters van topklasse. In hun algemene volgorde van belangrijkheid zijn:

Werkfrequentie: Deze kan variëren van tientallen kilohertz (kHz) tot honderden megahertz (MHz). Oscillators voor frequenties boven het basisbereik van een oscillator, zoals in het gigahertz-bereik (GHz), maken gewoonlijk gebruik van een fase-lock-lus (PLL) als frequentievermenigvuldiger om de fundamentele frequentie te upconverteren.

Frequentiestabiliteit: Dit is de tweede belangrijke prestatiefactor voor oscillatoren. Het bepaalt de afwijking van de uitgangsfrequentie ten opzichte van de oorspronkelijke waarde ten gevolge van externe omstandigheden, dus hoe kleiner dit getal, hoe beter.

Er zijn veel externe omstandigheden die de stabiliteit beïnvloeden, en veel leveranciers noemen ze afzonderlijk zodat de ontwerper de werkelijke impact in de toepassingen kan beoordelen. Een van deze factoren is de temperatuurgerelateerde variatie ten opzichte van de nominale frequentie bij 25 ⁰C; andere factoren zijn de stabiliteit op lange termijn ten gevolge van veroudering, alsmede de effecten van solderen, variaties in de voedingsspanning en veranderingen in de belasting van de uitgang. Voor krachtige eenheden wordt dit gewoonlijk uitgedrukt in deeltjes per miljoen (ppm) of deeltjes per miljard (ppb), met betrekking tot de nominale uitgangsfrequentie.

Faseruis en jitter: Dit zijn twee perspectieven op dezelfde algemene klasse van prestaties. Faseruis karakteriseert klokruis in het frequentiedomein, terwijl jitter dat doet in het tijdsdomein (Afbeelding 2).

Diagram van jitter in het tijdsdomein en faseruis in het frequentiedomein (klik om te vergroten)Afbeelding 2: Jitter in het tijdsdomein en faseruis in het frequentiedomein zijn twee even geldige interpretaties van dezelfde onvolkomenheden. Het gewenste beeld is afhankelijk van de toepassing. (Bron afbeelding: ECS Inc. International)

Afhankelijk van de toepassing zal de ontwerper zich in de eerste plaats richten op fouten zoals gedefinieerd in het ene of het andere domein. Faseruis wordt gewoonlijk gedefinieerd als de verhouding tussen de ruis in een bandbreedte van 1 Hertz (Hz) bij een gespecificeerde frequentie-offset, fm, en de amplitude van het oscillatorsignaal bij frequentie fO. Faseruis tast de nauwkeurigheid, de resolutie en de signaal-ruisverhouding (SNR) in frequentiesynthesizers aan (Afbeelding 3), terwijl jitter timingfouten veroorzaakt en zo bijdraagt tot een hogere bitfoutenkans (BER) in dataverbindingen.

Grafiek van de faseruis spreiding van het vermogensspectrum van de oscillatorAfbeelding 3: Faseruis verspreidt het vermogensspectrum van de oscillator en heeft een nadelig effect op de resolutie en de SNR. (Afbeelding bron: ECS Inc. International)

Timing jitter veroorzaakt sampling-tijdfouten in analoog/digitale conversies en beïnvloedt dus ook de SNR en de daaropvolgende FFT-frequentieanalyse (Fast Fourier Transform).

Apparaten in de MultiVolt familie van standaard oscillatoren(MV) van ECS Inc. zijn verkrijgbaar met stabiliteiten zo laag als ±20 ppm, terwijl hun krappe stabiliteitsoscillators(SMV) stabiliteiten bieden tot ±5 ppm. Voor nog meer stabiliteit bieden de MultiVolt TCXO's ±2.5 ppm prestaties met HCMOS uitgangen en ±0.5 ppm voor geclipte sinusuitgangen (zowel TCXO's als geclipte sinusgolven worden hieronder nader toegelicht).

Faseruis/jitter is, ongeacht het domein, een belangrijke factor voor ontwerpen met hoge prestaties en moet in het foutenbudget in aanmerking worden genomen zonder de behoeften van de toepassing uit het oog te verliezen. Merk op dat er vele soorten jitter zijn, waaronder absolute jitter, cyclus-tot-cyclus jitter, geïntegreerde fasejitter, langetermijnjitter en periodejitter; voor fase-ruis zijn er ook verschillende integratiebereiken en soorten, waaronder witte ruis en diverse ruis-"kleuren".

Inzicht in de specifieke kenmerken van zowel jitter als faseruis bij de oscillator en de invloed daarvan in de toepassing kan vaak een uitdaging zijn. Het is moeilijk om een specificatie van het ene domein naar het andere om te zetten; in plaats daarvan moeten gebruikers naar het gegevensblad kijken. Het is ook belangrijk de legitieme, maar verschillende definities van verkopers te begrijpen die de prestaties kwantificeren wanneer deze fouten in het totale foutenbudget worden opgenomen.

Type uitgangssignaal en aandrijving: Deze moeten worden afgestemd op de aangesloten belasting (Afbelding 4). De twee topologieën voor uitgangsaandrijving zijn enkelvoudig en differentieel.

Schema van verschillende output formaten zijn beschikbaar en moeten compatibel zijnAfbeelding 4: Er zijn verschillende uitgangsformaten beschikbaar en deze moeten compatibel zijn met de configuratie van de oscillatorbelasting. (Bron afbeelding: ECS Inc. International)

Single-ended oscillators zijn gemakkelijker te implementeren, maar zijn gevoeliger voor ruis en zijn gewoonlijk beter geschikt tot slechts enkele honderden megahertz. Onder de single-ended uitgangstypen zijn:

  • TTL (transistor-transistor logica): 0,4 tot 2,4 volt (wordt nu zelden gebruikt)
  • CMOS (complementaire metaaloxide halfgeleider): 0,5 tot 4,5 volt
  • HCMOS (hoge-snelheids CMOS): 0,5 tot 4,5 volt
  • LVCMOS (lage-spannings CMOS): 0,5 tot 4,5 volt

Differentiële uitgangen zijn moeilijker te ontwerpen, maar leveren betere prestaties in hoogfrequente toepassingen, omdat alle ruis die gemeenschappelijk is voor de differentiële sporen, teniet wordt gedaan. Dit helpt de oscillatorprestaties te handhaven zoals die door het belastingscircuit worden waargenomen. Differentiële signaaltypes zijn:

  • PECL (positieve emitter gekoppelde logica): 3,3 tot 4,0 volt
  • LVPECL (lage-spanning PECL); 1..7 tot 2,4 volt
  • CML (stroom-mode logica): 0.4 tot 1,2 volt en 2,6 tot 3,3 volt
  • LVDS (laagspanning differentiële signalering): 1,0 tot 1,4 volt
  • HCSL (hoge-snelheidsstroom-stuurlogica): 0,0 tot 0,75 volt

De keuze van het signaaltype wordt bepaald door de toepassingsprioriteiten en de bijbehorende schakelingen.

De uitgangsgolfvorm van de oscillator kan een klassieke sinusgolf met enkele frequentie zijn of een geclipte sinusgolf (Afbeelding 5). De analoge golf is het "schoonst" en het minst onderhevig aan jitter/faseruis, in tegenstelling tot het gebruik van een comparatorschakeling om hem om te zetten in een blokgolf, aangezien dit jitter/faseruis toevoegt en dus de kwaliteit aantast. De geclipte sinusgolf creëert een blokgolf-achtige output die compatibel is met digitale belastingen zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.

Diagram van afgeknotte sinusgolf benadert een blokgolfAfbeelding 5: De afgeknotte sinusgolf benadert een blokgolf, terwijl extra jitter of faseruis tot een minimum wordt beperkt. (Bron afbeelding: ECS Inc. International)

Voedingsspanning en -stroom: Deze zijn beide afgenomen om te voldoen aan de behoeften van de huidige systemen met een lagere spanning en vaak batterijvoeding. De meeste oscillators uit de MultiVolt-serie kunnen werken met voedingsspanningen van 1,8 volt, 2,5 volt, 3,0 volt, en 3,3 volt.

Pakketgrootte: Net als de bedrijfsspanning en -stroom zijn ook de oscillatorpakketten kleiner geworden. De industrie heeft enkele gestandaardiseerde maten voor single-ended apparaten (die slechts vier aansluitingen nodig hebben), terwijl differentiële oscillatoren zes contacten hebben en de grotere verpakkingen gebruiken, waarbij de afmetingen hier in millimeters (mm) zijn aangegeven:

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

Het gaat vooral om de temperatuur

De grootste externe factor die de prestaties van de oscillator beïnvloedt en wijzigt, is de temperatuur. Zelfs als het werkingsvermogen van de oscillator laag is en de zelfverwarming dus bijna te verwaarlozen, beïnvloedt de omgevingstemperatuur de werkingsfrequentie omdat deze veranderingen van invloed zijn op de mechanische afmetingen en spanningen van het kwartskristal. Het is belangrijk om de prestaties van de gekozen oscillator aan de uitersten van de verwachte bereiken te controleren. Deze bereiken worden gewoonlijk omschreven als:

  • Commerciële, Automobielklasse 4: 0 tot +70 °C
  • Verlengde reclame: -20 tot +70 °C
  • Industriële, Automobielklasse 3: -40 tot +85 °C
  • Verlengde industriële, automobielklasse 2: -40 tot +105 °C
  • Automobielklasse 1: -40 tot +125 °C
  • Militairen: -55 tot +125°C
  • Automobielklasse 0: -40 tot +150 °C

Voor sommige ontwerpen is niet alleen de temperatuursbestendigheid van belang, maar ook de vraag of aan andere betrouwbaarheidseisen moet worden voldaan. De ECS-2016MVQ, bijvoorbeeld, is een miniatuur-opbouw-HCMOS-uitgangsoscillator voor 1,7 tot 3,6 volt werking (Afbeelding 6). Het keramische pakket uit 2016 (2,0 mm x 1,6 mm, per hierboven) meet 0,85 mm hoog, is gericht op zwaardere industriële toepassingen en is AEC-Q200-gekwalificeerd (automobiel) voor temperatuurvereisten van klasse 1. Hij is beschikbaar voor frequenties van 1,5 tot 54 MHz in vier graden van frequentiestabiliteit, van ±20 ppm tot ±100 ppm bij -40°C tot +85°C; de fasejitter is zeer laag bij slechts 1 picoseconde (ps), gemeten van 12 kHz tot 5 MHz.

Afbeelding van ECS ECS-2016MVQ is beschikbaar voor frequenties van 1,5 tot 54 MHzAfbeelding 6: De ECS-2016MVQ is verkrijgbaar voor frequenties van 1,5 tot 54 MHz en in vier stabiliteitsklassen van ±20 ppm tot ±100 ppm. (Bron afbeelding: ECS Inc. International)

Voor toepassingen waarbij de drift over het werkgebied onaanvaardbaar hoog is, zijn twee geavanceerde oscillator-implementaties beschikbaar: de temperatuurgecompenseerde kristaloscillator (TCXO) en de ovengecontroleerde kristaloscillator (OCXO). (Merk op dat XTAL de aanduiding is voor kristal op veel schema's, en "X" wordt gebruikt als een afkorting daarvoor in het acroniem) Een TCXO maakt gebruik van een actief circuit ter compensatie van de verandering in uitgangsfrequentie ten gevolge van temperatuurschommelingen. In de OCXO daarentegen wordt de kristaloscillator in een thermisch geïsoleerde oven geplaatst, die wordt verwarmd en op een constante temperatuur boven de maximale omgevingstemperatuur wordt gehouden (een oven die alleen wordt verwarmd kan niet afkoelen tot onder de omgevingstemperatuur).

TCXO's vereisen extra schakelingen in vergelijking met een basisoscillator, maar veel minder vermogen dan de OCXO met zijn oven, die gewoonlijk verscheidene watts vergt. Bovendien is de TCXO slechts iets groter dan een niet-gecompenseerde eenheid en veel kleiner dan een OCXO. Een TCXO vertoont gewoonlijk een verbetering in drift tussen 10 en 40 maal die van een niet-gecompenseerde eenheid, terwijl een OXCO een driftprestatie kan vertonen die twee orden van grootte beter is in vergelijking, maar met een aanzienlijk verlies in omvang en vermogen.

De ECS-TXO-32CSMV is een afgekapte sinusvormige TCXO voor opbouwmontage met MultiVolt-capaciteit (1,7 tot 3,465 volt voeding) voor frequenties tussen 10 en 52 MHz (Afbeelding 7). Het 3,2 × 2,5 × 1,2 mm hoge keramische pakket is zeer geschikt voor draagbare en draadloze toepassingen waar stabiliteit van cruciaal belang is. Uit de belangrijkste specificaties blijkt zijn uiterst hoge stabiliteit ten opzichte van temperatuur, voedingswisseling, belastingswisseling en veroudering, samen met zijn bescheiden stroombehoefte van minder dan 2 mA (Tabel 1).

Afbeelding van ECS ECS-TXO-32CSMV is een kristaloscillator met afgekapte sinusgolfuitgangAfbeelding 7: De ECS-TXO-32CSMV is een kristaloscillator met afgekapte sinusgolfuitgang die interne compensatiecircuits bevat om de stabiliteitsprestaties aanzienlijk te verbeteren. (Bron afbeelding: ECS Inc. International)

Tabel met specificaties van de temperatuurgecompenseerde ECS ECS-TXO-32CSMV TXCOTabel 1: De specificaties van de temperatuurgecompenseerde ECS-TXO-32CSMV TXCO laten zien hoe de interne compensatie de stabiliteitsprestaties verbetert ondanks een reeks externe storingen. (Bron afbeelding: ECS Inc. International)

Werking met laag stroomverbruik: vaak een prioriteit

Ondanks de tendens naar steeds hogere processorkloksnelheden en datasnelheden is er nog steeds een grote behoefte aan kristaloscillatoren met een lagere frequentie voor timing in toepassingen met extreem laag stroomverbruik. De ECS-327MVATX bijvoorbeeld is een miniatuur oscillator voor opbouwmontage die werkt op een vaste frequentie van 32,768 kHz met MultiVolt mogelijkheden (1,6 tot 3,6 volt). Met zijn stroombehoefte van slechts 200 microampère (µA) en single-ended CMOS-uitgang is hij geschikt voor real-time klok (RTC), laagvermogen/draagbare, industriële en Internet of Things (IoT)-toepassingen. Hij wordt aangeboden in 2016- tot en met 7050-pakketformaten, met een frequentiestabiliteit die varieert van een krappe ±20 ppm tot een iets lossere ±100 ppm over het temperatuurbereik -40 ⁰C tot +85 ⁰C, afhankelijk van het model.

Om het gemiddelde stroomverbruik te minimaliseren, bieden veel oscillators ook een in-/uitschakelfunctie. De ECS-5032MV bijvoorbeeld is een 125 MHz opbouw-oscillator met MultiVolt-bedrijfscapaciteit van 1,6 tot 3,6 volt en CMOS-uitgang, aangeboden in een 5032 keramisch pakket (Afbeelding 8).

Afbeelding van ECS ECS-5032MV is een 125 MHz opbouw-oscillatorAfbeelding 8: De ECS-5032MV is een 125 MHz opbouw-oscillator met een in-/uitschakelfunctie die kan helpen energie te besparen. (Bron afbeelding: ECS Inc. International)

Met een van de vier contacten kan de oscillator in stand-by worden gezet, waardoor de vereiste stroom van de actieve waarde van 35 mA wordt teruggebracht tot slechts 10 microamperes (µA) stand-by stroom. De opstarttijd bedraagt 5 milliseconden (ms) na het opnieuw inschakelen van het toestel.

Specificaties afstemmen op de toepassing

De keuze van een geschikte kristaloscillator voor een toepassing is, zoals verwacht, een afweging van specificaties, prioriteiten, kosten en hun relatieve weging. Het gaat om meer dan de voor de hand liggende overweging een eenheid te kiezen met de vereiste nominale frequentie, frequentiestabiliteit, jitter/faseruis, en andere attributen als een zelfstandige oscillator. Gebruikers moeten er ook voor zorgen dat de uitgangsaandrijving van de oscillator compatibel is met de bijbehorende belasting en het systeem, zodat de koppeling de prestaties niet vermindert. Hoewel er veel van dergelijke overwegingen zijn, zijn er enkele algemene richtsnoeren:

  • Een LVDS-uitgang vereist slechts één weerstand bij de ontvanger, terwijl LVPECL een afsluitweerstand vereist bij zowel zender als ontvanger.
  • LVDS, LVPECL en HCSL hebben snellere overgangen dan CMOS, maar vergen meer stroom en zijn het meest geschikt voor ontwerpen met een hoge frequentie.
  • Voor het laagste stroomverbruik boven 150 MHz zijn CMOS of LVDS de beste keuzes.
  • LVPECL, LVDS, en daarna CMOS bieden de beste jitterprestaties bij lagere frequenties.

Conclusie

De kwartskristaloscillator is het hart van vele schakelingen en systemen. Om ervoor te zorgen dat de prestaties van deze functie overeenstemmen met de eisen van de toepassing, moeten de belangrijkste parameters zorgvuldig tegen elkaar worden afgewogen, te beginnen met de nauwkeurigheid van de nominale frequentie, de stabiliteit ten opzichte van de temperatuur, en andere factoren zoals jitter en faseruis. Ook moet het formaat van de uitgangsaandrijving van de oscillator worden afgestemd op de kenmerken van het belastingscircuit. Kristaloscillatoren in de ECS MultiVolt familie bieden superieure prestaties met combinaties van specificaties in complete, eenvoudig te gebruiken modules.

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

Bill Schweber

Bill Schweber is een elektronisch ingenieur die drie boeken over elektronische communicatiesystemen heeft geschreven, alsmede honderden technische artikelen, opiniërende columns en productkenmerken. In voorgaande functies was hij werkzaam als technisch websitemanager voor meerdere onderwerpspecifieke sites van EE Times, alsmede de hoofd- en analoge redacteur van EDN.

Bij Analog Devices, Inc. (een leidende verkoper van geïntegreerde schakelingen met analoog en gemengd-signaal) hield Bill zich bezig met marketingcommunicatie (public relations). Hierdoor heeft hij beide kanten van een technische pr-functie ervaren, door het introduceren van bedrijfsproducten, verhalen en berichten aan de media en ook als ontvanger daarvan.

Voorafgaand aan zijn marketing- en communicatierol bij Analog was Bill meewerkend redacteur van hun gerespecteerde technische tijdschrift en ook werkzaam op hun afdelingen voor productmarketing en applicatie-engineering. Daarvoor was Bill actief bij Instron Corp. door het werken aan analoge en geïntegreerde schakelingen en de systeemintegratie van materiaaltestende machinebesturingen.

Hij houdt een MSEE (Univ. van Mass.) en BSEE (Columbia-universiteit), staat geregistreerd als professioneel ingenieur en heeft een geavanceerde licentie voor amateurradio. Bill heeft ook online cursussen over vele technische onderwerpen georganiseerd, geschreven en gepresenteerd, waaronder MOSFET-basics, ADC-selectie en led-schakelingen.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key