Come scegliere e applicare un oscillatore in modo efficiente

Di Art Pini

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

L'avvento dei sistemi digitali sincroni ha trasformato l'oscillatore da "umile" componente al cuore pulsante dei moderni sistemi digitali basati su microprocessori. Le migliaia di applicazioni a cui si presta hanno alimentato una gamma estremamente ampia di fornitori e configurazioni che si avvalgono di molteplici strutture di risonanza.

Tuttavia, spesso la scelta di un oscillatore viene fatta in modo superficiale, senza capire veramente quale dovrà essere il suo compito. Questo a causa della presenza di un folto numero di risonatori, della diversificazione degli amplificatori interni e dei vari schemi di stabilizzazione della temperatura. Tutti questi componenti incidono sulle dimensioni, la precisione, la stabilità e il costo di questi dispositivi, oltre che sulla loro applicazione in un progetto.

Questo articolo aiuterà i progettisti a comprendere meglio il funzionamento e la struttura degli oscillatori, le loro specifiche critiche e come possono rispondere ai requisiti di un progetto.

Esamineremo la forma d'onda in uscita, la precisione della frequenza e la stabilità, il rumore di fase, il jitter, la variazione di carico e temperatura e il costo. Spiegheremo inoltre il modo migliore di applicare gli oscillatori per il successo di un progetto.

Principi base sugli oscillatori

Gli oscillatori sono circuiti elettronici che generano forme d'onda periodiche alla frequenza desiderata. Il diagramma a blocchi funzionali di un oscillatore generico contiene un amplificatore e un percorso di retroazione con una rete di retroazione selettiva in frequenza (Figura 1). L'oscillazione può essere avviata e sostenuta se il guadagno dell'anello è uguale o maggiore di uno, alla frequenza di oscillazione desiderata, mentre la variazione di fase attorno all'anello è uguale a un multiplo di radianti 2p. Questa è una condizione di retroazione positiva.

La rete che dipende dalla frequenza può essere una rete induttore-condensatore (LC) o resistore-condensatore (RC), ma gli oscillatori di precisione in genere usano un risonatore. La scelta del tipo di risonatore è una delle specifiche da affrontare, perché ognuno ha i suoi punti di forza e di debolezza.

Schema funzionale di un oscillatore di base

Figura 1: Schema funzionale di un oscillatore di base costituito da un amplificatore con una rete selettiva in frequenza o un risonatore in una configurazione a retroazione positiva. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

I risonatori usati comunemente sono a cristallo di quarzo, filtri a onda acustica di superficie (SAW) o sistemi microelettromeccanici (MEMS).

Quando un oscillatore di questo tipo viene attivato per la prima volta, l'unico segnale nel circuito è il rumore. L'elemento del rumore a una frequenza che soddisfa gli stati di guadagno e fase per l'oscillazione viene fatto circolare intorno all'anello del circuito con un'ampiezza crescente a causa della retroazione positiva del circuito. L'ampiezza del segnale aumenta fino a quando non viene limitata dalle caratteristiche dell'amplificatore o da un'unità di controllo automatico del guadagno (AGC) esterna. A questo punto è possibile controllare la forma d'onda dell'uscita dell'oscillatore. Le scelte comuni sono sinusoidale, sinusoidale con clipping o logica ("0" o "1"). Se si scelgono le uscite logiche, occorre selezionare anche una famiglia di logica (HCMOS, TTL, ECL, LVDS…).

Le uscite sinusoidali sono utilizzate principalmente nella generazione dei segnali della portante e dell'oscillatore locale in applicazioni che riguardano comunicazioni in cui la purezza spettrale rappresenta un fattore chiave. La forma d'onda sinusoidale ha una potenza significativa solo alla frequenza fondamentale e poca o nessuna potenza alle frequenze armoniche.

La specifica chiave per gli oscillatori è la stabilità della frequenza che definisce la loro capacità di mantenere la frequenza. Una specifica correlata è quella dell'invecchiamento, che definisce la deriva nella frequenza dell'oscillatore su un lungo intervallo di tempo, generalmente un anno. Con l'aumentare della velocità delle applicazioni, la variazione a breve termine della fase dell'oscillatore diventa un fattore importante. Questa variazione a breve termine della fase è detta rumore di fase dell'oscillatore. Il rumore di fase è una specifica nel dominio della frequenza. La specifica nel dominio del tempo equivalente è il jitter di fase o l'errore dell'intervallo di tempo.

Risonatori

La rete di retroazione nell'oscillatore di base può essere costituita da una delle tante strutture risonanti esistenti. Quella più comune è il cristallo di quarzo. I risonatori a cristallo di quarzo usano l'effetto piezoelettrico. Una piccola tensione applicata attraverso un cristallo ne provoca la deformazione, mentre una forza applicata al cristallo produce una carica elettrica. Questa serie di interscambi elettromeccanici forma la base di un oscillatore molto stabile. Questo effetto produce oscillazioni a frequenze specifiche legate al tipo di cristallo, all'orientamento geometrico a cui il cristallo viene tagliato e alle sue dimensioni.

I cristalli sono trattenuti tra due elettrodi che formano l'ingresso e l'uscita del risonatore a cristallo. In queste condizioni, il cristallo funge da circuito LC altamente selettivo (Figura 2). Tenere presente che il cristallo nel suo supporto è costituito da un circuito RLC in serie, che rappresenta la sua frequenza risonante in serie dominata dalle componenti LS e CS del modello. Il condensatore collegato in parallelo rappresenta la capacità del supporto e il relativo cablaggio. La capacità in derivazione CP reagisce con l'induttanza in serie LS, dando luogo a una frequenza di risonanza in parallelo. Durante il funzionamento, la risonanza in serie domina il funzionamento del risonatore. Le frequenze fondamentali del cristallo vanno dal kilohertz (kHz) a circa 200 megahertz (MHz).

Schema del modello di circuito equivalente per un cristallo di quarzo

Figura 2: Modello di circuito equivalente per un cristallo di quarzo. Le componenti del modello LS e CS determinano la frequenza di risonanza in serie, mentre LS, CS e CP determinano la risonanza in parallelo. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Un altro risonatore comune è il dispositivo a onda acustica di superficie (SAW) (Figura 3).

Schema del filtro/risonatore SAW che usa trasduttori interdigitali

Figura 3: Un filtro/risonatore SAW che usa trasduttori interdigitali montato su un substrato piezoelettrico per generare onde acustiche superficiali attraverso lo spazio tra i trasduttori, producendo in uscita una risposta che dipende dalla frequenza. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il filtro SAW è un dispositivo selettivo in frequenza che utilizza un'onda acustica di superficie propagata lungo la superficie di un substrato elastico. Le onde SAW vengono generate e rilevate tramite trasduttori interdigitali (IDT) formati da percorsi conduttivi sul substrato come mostrato nella figura. I filtri/risonatori SAW funzionano con un campo di frequenza da 10 MHz a 2 GHz. La frequenza dipende dalla dimensione degli elementi IDT e dalle caratteristiche del materiale del substrato. I modelli di circuito per un dispositivo SAW sono identici a quelli di un cristallo di quarzo. I risonatori SAW possono essere fabbricati in modo economico utilizzando la fotolitografia in contenitori compatti a basso costo. Questi oscillatori sono detti oscillatori SAW o SO.

L'ultima tecnologia dei risonatori che verrà trattata in questo articolo è quella basata su sistemi microelettromeccanici (MEMS). I MEMS utilizzano i processi di produzione standard dei semiconduttori per la fabbricazione di componenti meccanici miniaturizzati. Le dimensioni di questi dispositivi possono andare dai micron ai millimetri. I risonatori, che sono simili ai diapason ad alta frequenza, sono progettati per vibrare sotto l'eccitazione elettrostatica. Le strutture del die di questi risonatori sono combinate con un oscillatore programmabile/controller in CI (Figura 4).

Schema del modulo oscillatore MEMS

Figura 4: Un modulo oscillatore MEMS combina una struttura meccanica MEMS con un oscillatore/controller in CI in un unico contenitore. (Immagine per gentile concessione di SiTime)

L'oscillatore/il driver eccita la struttura del MEMS e invia la sua uscita a un circuito ad aggancio di fase (PLL) a N frazionario che moltiplica la frequenza in uscita del dispositivo MEMS per un fattore "N" programmabile. La memoria a programmazione unica (OTP) archivia i parametri di configurazione del modulo. La compensazione della temperatura si ottiene regolando la frequenza in uscita all'interno del PLL. Anche il PLL può essere programmato assegnando all'oscillatore un'uscita della frequenza controllata digitalmente.

Il maggiore vantaggio dell'oscillatore MEMS è la sua immunità a urti meccanici e vibrazioni, fattore importante in applicazioni mobili come cellulari, foto/videocamere e orologi.

Tipi di circuiti dell'oscillatore

La topologia del circuito degli oscillatori modulari si è sviluppata nel corso di molti decenni e attualmente esistono diverse tecnologie. In quasi tutti i casi i miglioramenti del circuito sono stati introdotti per aumentare la precisione e la stabilità della frequenza in uscita dell'oscillatore. Fra gli esempi visti nel paragrafo precedente vi erano gli oscillatori MEMS e SAW non basati sul quarzo. Le tecniche applicate agli oscillatori al quarzo possono essere applicate anche a qualsiasi tipo di oscillatore. Questi oscillatori sono tutti studiati per operare entro una capacità di carico di 15 pF. Le variazioni della capacità di carico incidono sulla frequenza di funzionamento.

La base di confronto per queste topologie è l'oscillatore a cristallo di quarzo nudo (XO) (Figura 5). Questo esempio è implementato utilizzando gate logici e include un diodo varicap per la regolazione. Questi semplici oscillatori presentano una stabilità della frequenza che va da 20 a 100 parti per milione (ppm).

Schema dell'oscillatore a cristallo di base implementato tramite invertitori logici

Figura 5: Un oscillatore a cristallo di base implementato utilizzando invertitori logici include un componente per il controllo della tensione tramite un diodo varicap in serie con il cristallo di quarzo. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

ASV-10.000MHZ-LCS-T di Abracon è un oscillatore di clock a cristallo a montaggio superficiale. Ha una uscita digitale con livello logico HCMOS. Il vantaggio principale di questi oscillatori è rappresentato dal loro costo contenuto. Hanno una stabilità della frequenza di ±50 ppm, ma altri dispositivi di questa famiglia di oscillatori offrono specifiche tra 20 e 100 ppm. La fonte primaria della deriva della frequenza è rappresentata dalle variazioni di temperatura. Ma vi sono anche l'invecchiamento del cristallo o la variazione di frequenza nel corso del tempo. Il tasso di invecchiamento è proporzionale alla stabilità di base. Nel caso di questo oscillatore, il tasso di invecchiamento è di ±5 ppm all'anno. Gli XO rispondono alle applicazioni per uso generale che non richiedono stabilità dell'alta frequenza. Fra queste applicazioni è incluso un generatore di segnali di clock per un microprocessore.

L'oscillatore a cristallo compensato in temperatura, o TCXO, aggiunge elementi del circuito per compensare le variazioni legate alla temperatura del risonatore al quarzo e dell'amplificatore (Figura 6).

Schema del risonatore al quarzo e dell'amplificatore

Figura 6: Il risonatore al quarzo e l'amplificatore sono sensibili alla temperatura, per cui il TCXO aggiunge un sensore di temperatura e una rete di compensazione della temperatura per correggere la deriva della frequenza. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Per sviluppare una tensione di correzione viene utilizzato un sensore della temperatura come un termistore. Questa tensione viene applicata tramite una rete idonea a un diodo varicap variabile in tensione in serie con il cristallo per controllare la frequenza. Per ottenere questo risultato si cambia il caricamento capacitivo del cristallo di quarzo. La compensazione della temperatura può migliorare di venti volte la stabilità della frequenza.

ASTX-H12-10.000MHZ-T di Abracon è un tipico TCXO con un livello di uscita HCMOS e una specifica della stabilità della frequenza di ±2 ppm. Il suo costo è pari a circa tre volte quello di un XO di base.

Un altro approccio alla stabilizzazione della temperatura consiste nel racchiudere il modulo oscillatore termostabilizzato (Figura 7). Questa topologia è detta oscillatore a cristallo termostabilizzato (OCXO).

Schema dell'OCXO che stabilizza la temperatura dell'oscillatore

Figura 7: L'OCXO stabilizza la temperatura dell'oscillatore racchiudendolo in un "forno" con una temperatura impostata su quella a cui la curva della frequenza/temperatura del cristallo ha una pendenza zero. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

L'oscillatore a cristallo è racchiuso in un "forno" termoregolato. La temperatura del forno è impostata su un valore a cui la curva della frequenza e della temperatura del cristallo ha una pendenza zero. Pertanto, piccole variazioni di temperatura producono un cambiamento minimo o nullo nella frequenza dell'oscillatore. La tecnologia OCXO può migliorare la stabilità dell'oscillatore di oltre un migliaio di volte. Gli oscillatori di questo tipo sono necessari in applicazioni che richiedono temporizzazioni precise, ad esempio i sistemi di navigazione o le comunicazioni di dati seriali ad alta velocità.

DOC050F-010.0M di Connor-Winfield è un OCXO con livelli di uscita LVCMOS e una stabilità della frequenza specificata di ±0,05 ppm. Questo miglioramento delle prestazioni comporta un maggiore consumo di energia dovuto al forno, dimensioni maggiori e un costo superiore (circa 30-40 volte quello di un XO) rispetto all'oscillatore a cristallo di base.

L'oscillatore MEMS trattato in precedenza è un esempio di oscillatore a controllo digitale (DCXO).

SIT3907AC-23-18NH-12.000000X di SiTime è un DCXO basato su MEMS con un'uscita logica LVCMOS e una stabilità della frequenza di 10 ppm. Consente di programmare un cambiamento della frequenza utilizzando il PLL interno con intervalli di "pull" da ±25 a ±1600 ppm.

Un oscillatore a cristallo controllato da microcomputer (MCXO) presenta una stabilità della frequenza uguale a quella dell'OCXO con un contenitore più piccolo, e con requisiti di potenza inferiori. Gli MCXO dispongono di due metodi per stabilizzare le loro frequenze in uscita. Il primo consiste nel far funzionare l'oscillatore sorgente a una frequenza superiore all'uscita desiderata e utilizzare la cancellazione degli impulsi per ottenere la frequenza in uscita desiderata. Il secondo metodo consiste nel far funzionare l'oscillatore sorgente interno leggermente al di sotto della frequenza in uscita desiderata e aggiungere alla frequenza in uscita della sorgente una frequenza di correzione generata da un sintetizzatore digitale diretto (DDS) interno.

LFMCXO064078BULK di IQD Frequency Products è un MCXO compatibile con HCMOS con una stabilità della frequenza di 0,05 ppm. La famiglia di prodotti include oscillatori a frequenze fisse chiave tra 10 e 50 MHz. Il suo volume fisico è di appena 88 mm3 e richiede solo 10 mA a 3,3 V, per un consumo energetico totale di 33 mW.

Alcune applicazioni richiedono la regolazione della frequenza di un oscillatore, che può essere eseguita digitalmente o tramite controllo analogico. Il controllo analogico viene eseguito utilizzando un oscillatore a cristallo controllato in tensione (VCXO). La Figura 5 ha mostrato come sintonizzare un oscillatore applicando una tensione a un diodo varicap in serie con il risonatore e variandone la frequenza cambiando la capacità di carico. Questo è il principio alla base del VCXO.

XLH53V010.000000I di Integrated Device Technology Inc. è un esempio di VCXO che alimenta livelli di uscita HCMOS e una stabilità della frequenza di ±50 ppm. L'intervallo di pull di un VCXO indica il massimo offset della frequenza ottenibile variando la tensione di comando. Questo oscillatore ha un intervallo di pull di ±50 ppm. Per una frequenza in uscita nominale di 10 MHz l'intervallo di pull è di ±500 Hz.

L'oscillatore SAW descritto nella sezione sui risonatori è un altro oscillatore a basso costo caratterizzato da un'alta affidabilità. XG-1000CA 100.0000M-EBL3 di EPSON è un esempio di SO. Questi dispositivi sono utilizzati in applicazioni a frequenza fissa come i trasmettitori telecomandati. Offrono una buona stabilità e buone specifiche di jitter, ma il loro vantaggio più grande è l'affidabilità.

Scegliere gli oscillatori in funzione delle applicazioni

In genere, le applicazioni che utilizzano gli oscillatori come base temporale di precisione richiedono dispositivi con una migliore stabilità della frequenza. Di conseguenza, per applicazioni che riguardano il GPS sono idonei oscillatori basati su OCXO o MCXO. Quando serve l'isolamento da urti e vibrazioni, un oscillatore SO è la scelta migliore per l'applicazione. Per il clock di interfacce seriali ad alta velocità serve un basso jitter di temporizzazione. Il costo è un fattore importante in qualsiasi progetto e in genere varia in base al grado di stabilità della frequenza offerto. Altri fattori come le dimensioni o i requisiti di alimentazione dipendono dal dispositivo in funzione della tecnologia utilizzata e potrebbero richiedere compromessi di progettazione. Nella Tabella 1 vengono messe a confronto le specifiche chiave degli oscillatori di cui si occupa questo articolo per aiutare a puntare l'attenzione sulle loro caratteristiche e sui loro vantaggi individuali.

Tipo Modello Risonatore Frequenza (MHz) Stabilità della frequenza (±ppm) Invecchiamento (±ppm) Jitter Potenza (mW) Volume (mm3)
XO Serie ASV di Abracon Cristallo 10 50 5 2,5 33 64
VCXO Serie XLH di IDT Cristallo 10 50 3 1,3 106 24
SO Serie XG-1000CA di Epson SAW 100 50 5 3 36 49
DCXO Serie SIT3907AC-23-18NH di SiTime MEMS 10 50 5 1 62 6,6
TCXO Serie ASTX di Abracon Cristallo 10 2,5 1 1,6 a 13 4,75
MCXO Serie LFMC di IQD Cristallo 12 0,05 1 1,6 a 61 84
OCXO Serie DOC050F di Connor-Winfield Cristallo 10 0,05 0,3 1 2500/1100 b 1000

Note:

  1. Stima calcolata dal rumore di fase
  2. Avviamento/stato stazionario

Tabella 1: Parametri tipici in base ai quali confrontare i vari oscillatori. Ognuno viene scelto in base ai requisiti di progettazione e ad altri fattori come il costo e la disponibilità al momento della progettazione. (Tabella per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Gli oscillatori nella tabella sono ordinati per stabilità della frequenza. Tenere presente che nell'articolo sono state utilizzate specifiche frequenze in uscita, ma tutti questi oscillatori offrono varie frequenze in uscita all'interno di ogni serie di modelli.

Conclusione

Una buona comprensione della costruzione e del funzionamento dell'oscillatore è essenziale ai progettisti per poter scegliere il prodotto giusto per le esigenze delle loro applicazioni. Come sempre, la scelta dell'oscillatore da utilizzare per un progetto comporterà compromessi di progettazione in termini di costi, potenza, spazio, stabilità e precisione, ma la varietà di oscillatori ora disponibile mitiga tali compromessi con soluzioni di serie.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Art Pini

Arthur (Art) Pini è un autore che contribuisce ai contenuti di Digi-Key Electronics. Art ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso il City College di New York e un master in ingegneria elettrotecnica presso la City University di New York. Ha oltre 50 anni di esperienza nell'elettronica e ha lavorato in ruoli chiave di ingegneria e marketing presso Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek e Nicolet Scientific. È interessato nella tecnologia di misurazione e ha una vasta esperienza con oscilloscopi, analizzatori di spettro, generatori di forme d'onda arbitrarie, digitalizzatori e contatori.

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