Come soddisfare in modo semplice ed economico i requisiti di temporizzazione dei circuiti a bassa potenza utilizzando gli SPXO

La temporizzazione dei circuiti è una funzione critica richiesta da una vasta gamma di dispositivi elettronici tra cui microcontroller, interfacce USB, Ethernet, Wi-Fi e Bluetooth, così come dispositivi e periferiche di calcolo, dispositivi medici, apparecchiature di test e misurazione, controllo e automazione industriale, Internet delle cose (IoT), indossabili e prodotti elettronici consumer. Progettare oscillatori controllati a cristallo per fornire la temporizzazione del sistema può sembrare semplice inizialmente, ma i progettisti devono considerare numerosi parametri e requisiti quando abbinano un cristallo di quarzo a un oscillatore in CI.

Le considerazioni includono l'impedenza cinetica del cristallo, la modalità di risonanza, il livello di pilotaggio e la resistenza negativa dell'oscillatore. Per il layout del circuito, il progettista deve considerare la capacità parassita della scheda, l'inclusione di una banda di guardia intorno al cristallo e la capacità integrata sul chip. Il progetto finale deve essere compatto e affidabile con un numero minimo di componenti, avere un basso jitter quadratico medio (rms) ed essere in grado di funzionare su un ampio intervallo della tensione di ingresso con un consumo energetico minimo.

Una soluzione è l'uso di oscillatori a cristallo semplici (SPXO). Ottimizzati per un basso consumo energetico e un basso jitter quadratico medio, oltre al funzionamento a qualsiasi tensione tra 1,60 e 3,60 V, questi oscillatori a tensione continua permettono ai progettisti di implementare soluzioni che richiedono un minimo sforzo di progettazione per l'integrazione nei sistemi.

Questo articolo discute brevemente alcuni dei requisiti di prestazione importanti e le sfide di progettazione da soddisfare per progettare con successo circuiti di temporizzazione utilizzando cristalli di quarzo discreti e CI di temporizzazione. Quindi introduce le soluzioni SPXO di Abracon e mostra come si possono utilizzare per soddisfare in modo efficace ed efficiente le esigenze di temporizzazione dei sistemi elettronici.

Funzionamento dell'oscillatore a cristallo e sfide di progettazione

Il consumo energetico è una considerazione importante nei piccoli dispositivi wireless alimentati a batteria. Molti di questi dispositivi sono basati su radio e processori System-on-Chip (SoC) a bassissima potenza che possono supportare una durata pluriennale della batteria. Inoltre, ridurre al minimo le dimensioni della batteria è importante per contenere il costo del dispositivo, poiché la batteria può essere il componente più costoso del sistema. Detto questo, la corrente di standby è spesso la considerazione più importante per la durata della batteria in piccoli sistemi wireless, e l'oscillatore di clock spesso domina la corrente di standby. Pertanto, è fondamentale ridurre al minimo l'assorbimento di corrente dell'oscillatore.

Sfortunatamente, progettare oscillatori a bassa potenza può essere impegnativo. Un modo per risparmiare energia è quello di minimizzare la corrente di standby passando a uno stato "disabilitato" e avviando l'oscillatore solo quando necessario. Tuttavia, gli oscillatori a cristallo non sono semplici da avviare in modo rapido e affidabile. I progettisti devono fare attenzione a garantire che l'oscillatore assorba poca corrente durante lo standby e abbia caratteristiche di avvio affidabili in tutte le condizioni operative e ambientali.

La configurazione dell'oscillatore Pierce è comunemente usata nei SoC wireless a bassa potenza (Figura 1). Un oscillatore Pierce è costruito intorno a un cristallo (X) e condensatori di carico (C₁ e C₂), avvolto con un amplificatore invertente che utilizza un resistore di retroazione interno. Nelle giuste condizioni, quando l'uscita dell'amplificatore viene rispedita all'ingresso, si ottiene una resistenza negativa e si verifica l'oscillazione.

Figura 1: Configurazione di base dell'oscillatore Pierce creato intorno a un cristallo (X) e condensatori di carico C₁ e C₂. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

I cristalli sono strutture complesse; questa discussione fornisce solo uno sguardo di alto livello e semplificato al loro funzionamento negli oscillatori.

Il margine di guadagno ad anello chiuso, Gm, può essere usato come cifra di merito (FOM) per caratterizzare l'affidabilità di un oscillatore rispetto a varie perdite. Si chiama anche margine di oscillazione (OA). Un OA inferiore a 5 può portare a basse rese produttive e a problemi di avvio legati alla temperatura. I progetti con un OA di 20 o più sono robusti, assicurano un funzionamento affidabile nell'intervallo della temperatura di funzionamento progettato e sono insensibili alle variazioni di lotto di produzione in termini di caratteristiche del cristallo e delle prestazioni del SoC.

Per misurare l'OA di un oscillatore, si aggiunge al circuito un resistore variabile, R_a (Figura 2). Il valore di R_a viene aumentato finché l'oscillatore non può avviarsi. Questo è il valore utilizzato per determinare l'OA come segue:

 Equazione 1

Dove:

R_n è la resistenza negativa

R_e è la resistenza equivalente in serie (ESR)

 Equazione 2

 Equazione 3

Dove la capacità di carico, C_L, è calcolata usando:

 Equazione 4

Dove Cs è la capacità vagante del circuito, di solito da 3,0 a 5,0 pF.

Figura 2: Oscillatore Pierce che mostra il modello a cristalli espansi (nella casella al centro) e il resistore regolabile (R_a) per misurare il margine di oscillazione. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

L'OA dipende dalla ESR (R_e) e la ESR dipende dal parametro del cristallo di quarzo R_m e dalla capacità di carico C_L. L'impatto di R_m e C_L sull'OA aumenta per gli oscillatori a bassa potenza, come quelli usati nei dispositivi wireless a bassa potenza. Misurare l'OA richiede tempo e può sembrare che allunghi il processo di sviluppo. Di conseguenza, questo passaggio può essere trascurato, causando problemi di prestazioni quando il sistema o il dispositivo entra in produzione.

Inoltre, impostare un OA alto per garantire un funzionamento affidabile dell'oscillatore può portare ad altri problemi. Ad esempio, un OA alto risulterà in prestazioni elevate del circuito dell'oscillatore, ma le perdite di potenza dovute al cristallo possono essere trascurate. Queste perdite possono essere significative. Tornando alla Figura 2, la resistenza dinamica del cristallo, R_m, causa la dissipazione di potenza quando la corrente attraversa la resistenza. La corrente e le perdite aumentano quando C_L è più alto. I progettisti devono raggiungere un equilibrio tra le perdite di potenza nel cristallo e un valore ragionevole di OA.

Come evitare il jitter

Quando si progettano oscillatori a cristalli di quarzo, è importante capire e ridurre al minimo il jitter. Ci sono due tipi di jitter, entrambi tipicamente misurati come valori rms:

• Jitter ciclo-ciclo: chiamato anche jitter di fase, è la massima differenza temporale tra diversi periodi misurati di oscillazione, di solito misurata su un minimo di 10 periodi.
• Jitter di periodo: questo è il cambiamento massimo di un margine di clock e viene misurato a ogni periodo, ma non a periodi multipli.

Le principali fonti di jitter negli oscillatori a cristalli di quarzo includono il rumore dell'alimentazione, armoniche intere della frequenza del segnale, condizioni di carico e terminazione improprie, rumore dell'amplificatore e alcune configurazioni del circuito. A seconda della fonte, esistono diversi metodi per minimizzare il jitter:

• Uso di condensatori di bypass, perline in chip o filtri resistore-condensatore (RC) per controllare il rumore dell'alimentazione.
• In applicazioni critiche che richiedono un jitter molto basso, è importante stabilire un metodo per controllare le armoniche (che esula dallo scopo di questo articolo).
• Ridurre la potenza riflessa in uscita ottimizzando il carico e le condizioni di terminazione.
• Evitare l'uso di progetti che includono anelli bloccati in fase, moltiplicatori o funzioni programmabili, poiché tendono ad aumentare il jitter.

Oscillatori a cristallo a tensione continua

I progettisti di sistemi con una tensione di polarizzazione di sistema variabile tra 1,60 e 3,60 V possono trarre vantaggio dall'utilizzo degli SPXO ASADV, ASDDV e ASEDV di Abracon (Figura 3). Queste famiglie di SPXO coprono diversi campi di frequenza, da 1,25 a 100 MHz per i dispositivi ASADV e da 1 a 160 MHz per i dispositivi ASDDV e ASEDV. Sono a norma RoHS/RoHS II e offerti in contenitori SMD (dispositivo a montaggio superficiale) in ceramica sigillati ermeticamente. La loro stabilità di frequenza è di ±25 ppm nell'intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +85 °C.

Figura 3: Gli SPXO ASADV (illustrati), ASDDV e ASEDV sono confezionati in contenitori ceramici sigillati ermeticamente e possono funzionare da -40 a +85 °C. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

ASADV misura 2,0 x 1,6 x 0,8 mm, ASDDV misura 2,5 x 2,0 x 0,95 mm e ASEDV misura 3,2 x 2,5 x 1,2 mm. Queste tre serie sono disponibili con diversi intervalli della temperatura di funzionamento comune, opzioni di stabilità e un formato di uscita compatibile con CMOS/HCMOS/LVCMOS.

È importante notare che le famiglie ASADV, ASDVD e ASEDV sono ottimizzate per il funzionamento a bassa corrente (Figura 4). La funzione di abilitazione/disabilitazione dell'uscita riduce la corrente a soli 10 μA quando il dispositivo è disabilitato. Tutti hanno un tempo massimo di avvio di 10 ms.

Figura 4: Il consumo di corrente di ASEDV in funzione della tensione di alimentazione; sono le prestazioni tipiche di questa famiglia di SPXO (misurata a 25 °C ±3 °C). (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Tutte e tre le famiglie di SPXO hanno un consumo di corrente particolarmente basso. Per ASADV, la corrente massima (misurata in un carico di 15 pF a 25 °C) va da 1,0 mA a 1,25 MHz e una tensione di alimentazione di 1,8 V, a 14,5 mA a 81 MHz e una tensione di alimentazione di 3,3 V. Per ASDDV e ASEDV, la corrente massima varia da 1,0 mA a 1 MHz e una tensione di alimentazione di 1,8 V, a 19 mA a 157 MHz e una tensione di alimentazione di 3,3 V.

I dispositivi possono pilotare carichi multipli e hanno buone prestazioni di protezione dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) e basso jitter. Sono specificati per un jitter di fase rms di <1,0 ps e un jitter di periodo di 7.0 ps al massimo.

Gli SPXO forniscono anche una buona stabilità di frequenza su tutto l'intervallo della temperatura di funzionamento (Figura 5). In molte applicazioni, questi oscillatori possono essere utilizzati come soluzioni drop-in che richiedono poco sforzo di progettazione. Eliminano anche la necessità di selezionare l'oscillatore specifico per la polarizzazione e rimuovono le variazioni di frequenza dipendenti dalla polarizzazione.

Figura 5: Questi SPXO hanno una buona stabilità di frequenza su tutto l'intervallo della temperatura di funzionamento. Questo grafico per la famiglia ASEDV è un caso tipico. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Infine, quando gli urti e le vibrazioni non sono problemi cruciali, gli oscillatori a cristallo a montaggio superficiale a tensione continua ASADV, ASDVD e ASEDV possono essere utilizzati come alternative a basso costo agli oscillatori MEMS (sistemi microelettromeccanici).

Conclusione

I progettisti hanno bisogno di oscillatori precisi e affidabili per fornire una temporizzazione stabile in una vasta gamma di applicazioni e temperature di funzionamento. Gli oscillatori discreti controllati a cristallo possono soddisfare queste caratteristiche prestazionali, ma progettare efficacemente con i cristalli può essere tecnicamente difficile, dispendioso in termini di tempo, oltremodo costoso e meno che ottimale per quanto riguarda il fattore di forma.

Come mostrato, i progettisti possono invece utilizzare gli SPXO integrati a bassa potenza per creare soluzioni di temporizzazione drop-in con una buona stabilità di frequenza su un ampio intervallo della temperatura di funzionamento. Utilizzando gli SPXO, i progettisti possono ridurre il numero di componenti, ridurre le dimensioni della soluzione, ridurre i costi di assemblaggio e migliorare l'affidabilità.

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