چالش های عملیاتی و طراحی نوسانگرهای کریستالی

زمان‌بندی مدار یک عملکرد حیاتی است که برای بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی، از جمله میکروکنترلرها، USB، اترنت، وای{0}}وای فای و رابط‌های بلوتوث، و همچنین دستگاه‌های محاسباتی و لوازم جانبی، دستگاه‌های پزشکی، تجهیزات تست و اندازه‌گیری، کنترل صنعتی و اتوماسیون، اینترنت اشیا (IoT)، دستگاه‌های پوشیدنی، و لوازم الکترونیکی مصرفی مورد نیاز است. در حالی که طراحی یک نوسانگر{2}}کریستالی برای ارائه زمان‌بندی سیستم ممکن است در ابتدا ساده به نظر برسد، طراحان باید پارامترها و الزامات طراحی متعددی را هنگام تطبیق کریستال کوارتز با آی سی نوسانگر در نظر بگیرند.

چندین فاکتور وجود دارد که باید در نظر گرفته شود، از جمله امپدانس حرکت کریستالی، حالت رزونانس، قدرت درایو و مقاومت منفی نوسانگر. از نظر چیدمان مدار، طراحان باید ظرفیت انگلی PCB را در نظر بگیرند، یک نوار محافظ در اطراف کریستال اضافه کنند و خازن‌های تراشه- را وارد کنند. طراحی نهایی باید جمع و جور و قابل اعتماد باشد، دارای کمترین اجزاء، لرزش میانگین مربعات ریشه کم (RMS) و حداقل مصرف برق در محدوده وسیع ولتاژ ورودی باشد.

یک نوسان ساز کریستالی بسته بندی شده ساده (SPXO) یک راه حل است. این نوسان سازهای ولتاژ پیوسته برای مصرف انرژی کم و جیتر RMS کم بهینه شده اند و می توانند در هر ولتاژی بین 1.60 ولت و 3.60 ولت کار کنند و طراحان را قادر می سازد به راه حلی دست یابند که می تواند با حداقل تلاش طراحی در سیستم ادغام شود.

این مقاله به طور مختصر برخی از الزامات عملکرد مهمی را که باید برآورده شوند و چالش‌های طراحی که باید هنگام طراحی مدارهای زمان‌بندی با استفاده از کریستال‌های کوارتز گسسته و آی‌سی‌های زمان‌بندی برطرف شوند، مورد بحث قرار می‌دهد. سپس راه‌حل‌های SPXO Abracon را معرفی می‌کند و توضیح می‌دهد که چگونه طراحان می‌توانند از این دستگاه‌ها برای برآورده کردن مؤثر نیازهای زمان‌بندی سیستم‌های الکترونیکی استفاده کنند.

چالش های عملیات و طراحی نوسان ساز کریستال

مصرف انرژی برای دستگاه‌های بی‌سیم کوچک{0}}که با باتری کار می‌کنند، یک نکته حیاتی است. بسیاری از این دستگاه‌ها مبتنی بر-سیستم کم مصرف-روی-رادیو و پردازنده‌های تراشه‌ای (SoC) هستند که می‌توانند عمر باتری چندین سال را پشتیبانی کنند. علاوه بر این، از آنجایی که باتری اغلب گران ترین جزء در سیستم است، به حداقل رساندن اندازه آن برای کنترل هزینه های دستگاه بسیار مهم است. همانطور که گفته شد، جریان آماده به کار اغلب حیاتی ترین مورد در نظر گرفتن عمر باتری در سیستم های بی سیم کوچک است و جریان آماده به کار اغلب تحت سلطه نوسانگر ساعت است. بنابراین، به حداقل رساندن مصرف جریان اسیلاتور بسیار مهم است.

متأسفانه، طراحی یک نوسانگر- کم توان می تواند چالش برانگیز باشد. یکی از روش های صرفه جویی در انرژی، به حداقل رساندن جریان آماده به کار با وارد کردن حالت "غیرفعال" و راه اندازی نوسانگر در صورت نیاز است. با این حال، نیاز به یک نوسان ساز کریستالی برای راه اندازی سریع و مطمئن کار آسانی نیست. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که نوسانگر در حالت آماده به کار در وضعیت فعلی پایین باقی می‌ماند و دارای ویژگی‌های راه‌اندازی قابل اعتماد تحت همه شرایط عملیاتی و محیطی است.

 

 

پیکربندی نوسانگر Pierce معمولاً در{0}SoCهای بی سیم کم مصرف یافت می شود (شکل 1). نوسان ساز Pierce با استفاده از یک کریستال (X) و خازن های بار (C1 و C2) ساخته شده است که توسط یک تقویت کننده معکوس با یک مقاومت بازخورد داخلی احاطه شده است. در شرایط مناسب، هنگامی که خروجی تقویت کننده به ورودی باز می گردد، یک مقاومت منفی ایجاد می شود که منجر به نوسان می شود.

شکل 1: پیکربندی پایه نوسان ساز Pierce ساخته شده در اطراف کریستال (X) و خازن های بار C1 و C2.

 

ساختار کریستالی پیچیده است. این بحث فقط لایه بالایی و ساختار ساده شده کریستال هایی که در نوسانگرها کار می کنند را پوشش می دهد.

حاشیه بهره حلقه بسته -Gm را می توان به عنوان یک رقم شایستگی (FOM) برای توصیف قابلیت اطمینان یک نوسان ساز نسبت به تلفات مختلف استفاده کرد. حاشیه بهره حلقه بسته به عنوان حاشیه نوسان (OA) نیز شناخته می شود. مقدار OA کمتر از 5 می‌تواند منجر به مشکلات راه‌اندازی مربوط به کارکرد تولید و دما{5} پایین شود. طرح‌هایی با مقدار OA 20 یا بالاتر، قوی و بادوام هستند، به طور قابل اعتماد در محدوده دمای عملیاتی طراحی عمل می‌کنند و کمترین تأثیر را از دسته‌های مختلف تولید بر ویژگی‌های عملکرد کریستال و SoC نشان می‌دهند.

برای اندازه گیری OA نوسانگر، می توان یک مقاومت متغیر Ra به مدار اضافه کرد (شکل 2). مقدار Ra را تا زمانی افزایش دهید که نوسانگر شروع به کار نکند. این روشی است که برای تعیین مقدار OA استفاده می شود، همانطور که در زیر نشان داده شده است:

معادله 1

کجا:

Rn مقاومت منفی است

Re مقاومت سری معادل (ESR) است.

معادله 2

معادله 3

جایی که ظرفیت بار CL به صورت زیر محاسبه می شود:

OA به ESR (Re) و ESR به پارامترهای کریستال کوارتز Rm و ظرفیت بار CL بستگی دارد. برای اسیلاتورهای-کم، مانند آنهایی که در دستگاه‌های بی‌سیم کم مصرف-استفاده می‌شوند، تأثیر Rm و CL بر OA افزایش می‌یابد. اندازه‌گیری OA زمان‌بر است و ممکن است فرآیند توسعه را طولانی‌تر کند. بنابراین، این وظیفه ممکن است نادیده گرفته شود و در هنگام تولید سیستم یا دستگاه منجر به مشکلات عملکرد شود.

علاوه بر این، تنظیم OA بالا برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد نوسانگر می تواند باعث مشکلات دیگری شود. به عنوان مثال، در حالی که OA بالاتر عملکرد مدار نوسان ساز را بهبود می بخشد، ممکن است تلفات برق ناشی از کریستال را نادیده بگیرد. چنین ضررهایی می تواند عامل مهمی باشد. با اشاره به شکل 2، مقاومت حرکتی کریستال Rm باعث اتلاف توان می شود زیرا جریان به صورت دوره ای از مقاومت عبور می کند. وقتی CL بزرگ باشد، هم جریان و هم تلفات را افزایش می دهد. بنابراین، طراحان باید اتلاف توان کریستالی را با مقدار OA معقول متعادل کنند.

اجتناب از عصبانیت

هنگام طراحی یک نوسان ساز کریستال کوارتز، درک و کاهش لرزش بسیار مهم است. Jitter دو نوع دارد که معمولاً با مقدار میانگین مربع ریشه (RMS) اندازه گیری می شود:

پریود جیتر: همچنین به عنوان لرزش فاز شناخته می شود، این به حداکثر اختلاف زمانی بین چندین دوره نوسان اندازه گیری شده اشاره دارد که معمولاً در حداقل 10 دوره اندازه گیری می شود.

چرخه لرزش: این حداکثر تغییر در لبه ساعت است که برای هر چرخه به جای چند چرخه اندازه گیری می شود.

منابع اولیه جیتر در نوسانگرهای کریستال کوارتز شامل نویز منبع تغذیه، هارمونیک های عدد صحیح فرکانس سیگنال، شرایط بارگذاری و پایان نامناسب، نویز تقویت کننده و تنظیمات مدار خاص است. بسته به منبع، می توان از روش های مختلفی برای به حداقل رساندن لرزش استفاده کرد.

از خازن های بای پس، سلف های تراشه، یا فیلترهای مقاومتی{0}خازن (RC) برای کنترل صدای منبع تغذیه استفاده کنید.

در کاربردهای حیاتی که به جیتر بسیار کم نیاز دارند، ایجاد روشی برای کنترل هارمونیک ها بسیار مهم است (فراتر از محدوده این مقاله).

با بهینه‌سازی شرایط بار و پایان، توان بازتاب‌شده به خروجی را کاهش دهید.

از طرح‌هایی که شامل {0}حلقه‌های قفل‌شده فاز، ضرب‌کننده‌ها یا توابع قابل برنامه‌ریزی هستند، اجتناب کنید، زیرا اغلب باعث افزایش لرزش می‌شوند.

نوسانگرهای کریستالی ولتاژ پیوسته

استفاده از ASADV، ASDDV و ASEDV SPXO های آبراکن برای طراحی سیستم هایی که ولتاژ بایاس بین 1.60 و 3.60 ولت متغیر است سودمند است (شکل 3). سری SPXO محدوده های فرکانس مختلفی را پوشش می دهد. دستگاه های ASADV در فرکانس های 1.25 مگاهرتز تا 100 مگاهرتز کار می کنند، در حالی که دستگاه های ASDDV و ASEDV از 1 مگاهرتز تا 160 مگاهرتز کار می کنند. این سری با استانداردهای RoHS/RoHS II مطابقت دارد و از بسته بندی دستگاه نصب بر روی سطح سرامیکی مهر و موم شده (SMD) استفاده می کند. در محدوده دمای عملیاتی -40 درجه تا +85 درجه، این سری به ثبات فرکانس ± 25 ppm دست می یابد.
 

OA به ESR (Re) و ESR به پارامترهای کریستال کوارتز Rm و ظرفیت بار CL بستگی دارد. برای اسیلاتورهای-کم، مانند آنهایی که در دستگاه‌های بی‌سیم کم مصرف-استفاده می‌شوند، تأثیر Rm و CL بر OA افزایش می‌یابد. اندازه‌گیری OA زمان‌بر است و ممکن است فرآیند توسعه را طولانی‌تر کند. بنابراین، این وظیفه ممکن است نادیده گرفته شود و در هنگام تولید سیستم یا دستگاه منجر به مشکلات عملکرد شود.

علاوه بر این، تنظیم OA بالا برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد نوسانگر می تواند باعث مشکلات دیگری شود. به عنوان مثال، در حالی که OA بالاتر عملکرد مدار نوسان ساز را بهبود می بخشد، ممکن است تلفات برق ناشی از کریستال را نادیده بگیرد. چنین ضررهایی می تواند عامل مهمی باشد. با اشاره به شکل 2، مقاومت حرکتی کریستال Rm باعث اتلاف توان می شود زیرا جریان به صورت دوره ای از مقاومت عبور می کند. وقتی CL بزرگ باشد، هم جریان و هم تلفات را افزایش می دهد. بنابراین، طراحان باید اتلاف توان کریستالی را با مقدار OA معقول متعادل کنند.

اجتناب از عصبانیت

هنگام طراحی یک نوسان ساز کریستال کوارتز، درک و کاهش لرزش بسیار مهم است. Jitter دو نوع دارد که معمولاً با مقدار میانگین مربع ریشه (RMS) اندازه گیری می شود:

پریود جیتر: همچنین به عنوان لرزش فاز شناخته می شود، این به حداکثر اختلاف زمانی بین چندین دوره نوسان اندازه گیری شده اشاره دارد که معمولاً در حداقل 10 دوره اندازه گیری می شود.

چرخه لرزش: این حداکثر تغییر در لبه ساعت است که برای هر چرخه به جای چند چرخه اندازه گیری می شود.

منابع اولیه جیتر در نوسانگرهای کریستال کوارتز شامل نویز منبع تغذیه، هارمونیک های عدد صحیح فرکانس سیگنال، شرایط بارگذاری و پایان نامناسب، نویز تقویت کننده و تنظیمات مدار خاص است. بسته به منبع، می توان از روش های مختلفی برای به حداقل رساندن لرزش استفاده کرد.

از خازن های بای پس، سلف های تراشه، یا فیلترهای مقاومتی{0}خازن (RC) برای کنترل صدای منبع تغذیه استفاده کنید.

در کاربردهای حیاتی که به جیتر بسیار کم نیاز دارند، ایجاد روشی برای کنترل هارمونیک ها بسیار مهم است (فراتر از محدوده این مقاله).

با بهینه‌سازی شرایط بار و پایان، توان بازتاب‌شده به خروجی را کاهش دهید.

از طرح‌هایی که شامل {0}حلقه‌های قفل‌شده فاز، ضرب‌کننده‌ها یا توابع قابل برنامه‌ریزی هستند، اجتناب کنید، زیرا اغلب باعث افزایش لرزش می‌شوند.

خلاصه

طراحان برای ارائه زمان بندی پایدار در طیف وسیعی از کاربردها و دماهای عملیاتی به نوسانگرهای دقیق و قابل اعتماد نیاز دارند. نوسانگرهای کنترل‌شده کریستال-گسسته می‌توانند ویژگی‌های عملکرد مورد نیاز را برآورده کنند، اما طراحی مؤثر با استفاده از کریستال‌ها از نظر فنی چالش برانگیز است، که زمان‌بر-و هزینه‌های غیرضروری را به همراه دارد. علاوه بر این، آنها از نظر فاکتور فرم انتخاب بهینه نیستند.

همانطور که در شکل نشان داده شده است، طراحان می‌توانند از-SPXOهای یکپارچه کم مصرف استفاده کنند. این SPXOها یک راه حل آماده برای استفاده از زمان‌بندی-- را تشکیل می‌دهند که به پایداری فرکانس عالی در محدوده دمای عملیاتی بسیار گسترده دست می‌یابد. با استفاده از SPXO، طراحان می توانند تعداد اجزا را کاهش دهند، اندازه محلول را به حداقل برسانند، هزینه های مونتاژ را کاهش دهند و قابلیت اطمینان را افزایش دهند.