Comprendere i parametri di un oscillatore a cristallo per ottimizzare la selezione dei componenti

Gli oscillatori a cristallo basati sul quarzo sono il componente centrale responsabile della precisione e delle prestazioni di frequenza/tempo in quasi tutti i circuiti elettronici. Come tali, sono tenuti ad essere accurati e precisi nel tempo. Naturalmente, l'oscillatore "perfetto" esiste solo in teoria, quindi il problema per i progettisti è trovare l'oscillatore giusto per soddisfare gli obiettivi di progettazione. La cosa non è semplice.

Una volta stabiliti i requisiti di prestazione per l'applicazione, i progettisti devono trovare la soluzione con il giusto equilibrio di prestazioni, costi, stabilità, dimensioni, potenza, struttura fisica e capacità di azionamento per i circuiti associati. Per questo devono capire i principi di funzionamento degli oscillatori, le caratteristiche chiave e come si sono evoluti.

Questo articolo fornirà una panoramica sugli oscillatori a cristallo prima di esaminare le varie prospettive relative ai moduli oscillatori a cristallo ad alte prestazioni. Poi, utilizzando dispositivi rappresentativi di ECS Inc., passerà brevemente in rassegna le basi di questi oscillatori prima di identificare i parametri di primo e secondo livello, insieme ad alcuni valori realistici. Mostrerà anche come diverse unità sono ideali per alcune applicazioni tipiche.

Come funzionano gli oscillatori a cristallo

Gli oscillatori a cristallo forniscono la frequenza cardiaca dell'orologio dei processori, la temporizzazione dei bit per i collegamenti dati, il tempo di campionamento per le conversioni di dati e la frequenza principale nei sintonizzatori. In termini semplici, l'elemento di quarzo dell'oscillatore a cristalli agisce come elemento risonante ad altissimo Q all'interno della rete di retroazione di un circuito oscillatore (Figura 1). Data l'importanza dei cristalli e dei loro oscillatori, la fisica fondamentale del materiale di quarzo e le sue prestazioni elettriche e meccaniche, insieme ai vari circuiti oscillatori, sono oggetto di studio e di analisi approfondite.

Figura 1: Utilizzando l'effetto piezoelettrico, un cristallo funziona come elemento risonante ad alto Q, stabile e preciso nel ciclo di retroazione di un circuito oscillatore. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International, modificata)

Per molti anni, gli utenti specificavano la frequenza del cristallo e altre caratteristiche chiave, poi fornivano il loro circuito oscillatore separato usando valvole (nei primi tempi), poi transistor, e infine CI. Questo circuito era di solito una combinazione di un'attenta analisi progettuale e di un po' di "estro artistico" e di giudizio basato sull'esperienza, poiché c'erano molti aspetti interconnessi. Il progettista cercherà di bilanciare questi fattori per adattare le prestazioni dell'oscillatore al "taglio" e alle caratteristiche del cristallo di quarzo, così come alle priorità dell'applicazione.

Al giorno d'oggi, tali sforzi di progettazione di oscillatori a cristallo fai-da-te sono relativamente rari perché ci vuole tempo e fatica per creare il progetto giusto. Poi c'è la misurazione accurata delle prestazioni di un oscillatore. Questo aspetto è complesso e richiede una strumentazione di precisione e un allestimento accurato. Invece, per molte applicazioni, i progettisti possono acquistare un piccolo modulo interamente chiuso che include sia l'elemento al quarzo sia il circuito dell'oscillatore e il suo driver di uscita. Questo ovviamente riduce lo sforzo e il tempo di progettazione, mentre l'utente ha un'unità completamente caratterizzata e una scheda tecnica con specifiche garantite.

Una nota terminologica: per ragioni soprattutto storiche, gli ingegneri spesso usano la parola "cristallo" quando in realtà stanno parlando dell'intero circuito dell'oscillatore a cristallo. Questo non è normalmente un problema, poiché il vero significato è compreso dal contesto. Tuttavia, a volte può portare a confusione, poiché è ancora possibile acquistare un cristallo come componente indipendente e poi fornire un circuito oscillatore separato. Questo articolo usa la parola "oscillatore" per indicare il cristallo più il suo circuito oscillatore come un modulo autonomo e non solo il circuito oscillatore.

Caratterizzare gli oscillatori a cristallo

Come per qualsiasi componente, le prestazioni dell'oscillatore a cristallo sono inizialmente definite da un insieme di parametri di alto livello. Nel loro ordine generale di importanza sono:

Frequenza operativa: questa può variare da decine di kilohertz (kHz) a centinaia di megahertz (MHz). Gli oscillatori per le frequenze al di sopra della portata di base, come nella gamma dei gigahertz (GHz), di solito usano un circuito ad aggancio di fase (PLL) come moltiplicatore di frequenza per convertire verso l'alto la frequenza fondamentale.

Stabilità della frequenza: questo è il secondo fattore chiave delle prestazioni degli oscillatori. Definisce la deviazione della frequenza di uscita dal suo valore originale a causa delle condizioni esterne e quindi più piccolo è questo numero, meglio è.

Ci sono molte condizioni esterne che influenzano la stabilità, e molti produttori le indicano individualmente in modo che il progettista possa valutare l'impatto reale nelle applicazioni. Tra questi fattori ci sono le variazioni legate alla temperatura rispetto alla frequenza nominale a 25 ⁰C; altri fattori includono la stabilità a lungo termine dovuta all'invecchiamento e gli effetti della saldatura, le variazioni della tensione di alimentazione e i cambiamenti del carico di uscita. Per le unità ad alte prestazioni, è solitamente caratterizzato in parti per milione (ppm) o parti per miliardo (ppb), rispetto alla frequenza di uscita nominale.

Rumore di fase e jitter: sono due punti di vista della stessa classe generale di prestazioni. Il rumore di fase caratterizza il rumore del clock nel dominio della frequenza, mentre il jitter lo fa nel dominio del tempo (Figura 2).

Figura 2: Il jitter nel dominio del tempo e il rumore di fase nel dominio della frequenza sono due interpretazioni ugualmente valide delle stesse imperfezioni. La vista preferita è una funzione dell'applicazione. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International)

A seconda dell'applicazione, il progettista si concentrerà sugli errori principalmente definiti in un dominio o nell'altro. Il rumore di fase è solitamente definito come il rapporto tra il rumore in una larghezza di banda di 1 Hertz a un offset di frequenza specificato, f_m, e l'ampiezza del segnale dell'oscillatore alla frequenza f_O. Il rumore di fase degrada la precisione, la risoluzione e il rapporto segnale/rumore (SNR) nei sintetizzatori di frequenza (Figura 3), mentre il jitter causa errori di temporizzazione e quindi contribuisce ad aumentare il tasso di errore di bit (BER) nei collegamenti dati.

Figura 3: Il rumore di fase diffonde lo spettro di potenza dell'oscillatore e ha un effetto negativo sulla risoluzione e sull'SNR. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International)

Il jitter di temporizzazione causa errori nel tempo di campionamento nelle conversioni analogiche/digitali e, quindi, influisce anche sull'SNR e sulla successiva analisi di frequenza della trasformata di Fourier veloce (FFT).

I dispositivi della famiglia di oscillatori standard MultiVolt (MV) di ECS Inc. sono disponibili con stabilità fino a ±20 ppm, mentre gli oscillatori a stabilità ridotta (SMV) offrono stabilità fino a ±5 ppm. Per una stabilità ancora più stretta, i TCXO MultiVolt offrono prestazioni di ±2,5 ppm con uscite HCMOS e ±0,5 ppm per le uscite sinusoidali tagliate (sia i TCXO che le sinusoidi tagliate sono spiegati più avanti).

Indipendentemente dal dominio, il rumore di fase/jitter è un fattore importante per i progetti ad alte prestazioni e deve essere preso in considerazione nel budget degli errori tenendo a mente le esigenze dell'applicazione. Si noti che ci sono molti tipi di jitter, tra cui il jitter assoluto, il jitter ciclo per ciclo, il jitter di fase integrato, il jitter a lungo termine e il jitter di periodo; anche per il rumore di fase ci sono diversi intervalli di integrazione e tipi, tra cui il rumore bianco e vari "colori" di rumore.

Comprendere le specificità del jitter e del rumore di fase all'oscillatore e l'impatto nell'applicazione spesso è un'impresa. È difficile convertire una specifica da un dominio all'altro; gli utenti dovrebbero guardare alla scheda tecnica. È anche importante capire le legittime ma diverse definizioni dei produttori che quantificano le prestazioni quando si contabilizzano questi errori nel budget complessivo degli errori.

Tipo di segnale di uscita e azionamento: questi devono essere abbinati al carico collegato (Figura 4). Le due topologie di azionamento dell'uscita sono a terminazione singola e differenziale.

Figura 4: Sono disponibili diversi formati di uscita che devono essere compatibili con la configurazione del carico dell'oscillatore. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International)

Gli oscillatori a terminazione singola sono più facili da implementare, ma sono più sensibili al rumore e sono tipicamente una misura migliore solo fino a diverse centinaia di megahertz. Tra i tipi di uscita a terminazione singola ci sono:

• TTL (logica transistor-transistor): da 0,4 a 2,4 V (ora usato raramente)
• CMOS (metallo-ossido-semiconduttore con accoppiamento complementare): da 0,5 a 4,5 V
• HCMOS (CMOS ad alta velocità): da 0,5 a 4,5 V
• LVCMOS (CMOS a bassa tensione): da 0,5 a 4,5 V

Le uscite differenziali sono più difficili da progettare ma forniscono prestazioni migliori nelle applicazioni ad alta frequenza, poiché qualsiasi rumore comune alle tracce differenziali si annulla. Questo aiuta a mantenere le prestazioni dell'oscillatore in base al circuito di carico. I tipi di segnale differenziale sono:

• PECL (logica accoppiata emettitore positivo): da 3,3 a 4,0 V
• LVPECL (PECL a bassa tensione): da 1,7 a 2,4 V
• CML (logica in modalità corrente): da 0,4 a 1,2 V e da 2,6 a 3,3 V
• LVDS (segnalazione differenziale a bassa tensione): da 1,0 a 1,4 V
• HCSL (logica di direzionamento di corrente ad alta velocità): da 0,0 a 0,75 V

La scelta del tipo di segnale è determinata dalle priorità dell'applicazione e dai circuiti associati.

La forma d'onda di uscita dell'oscillatore può essere una classica onda sinusoidale a frequenza singola o un'onda sinusoidale tagliata (Figura 5). L'onda analogica è la più "pulita" e meno soggetta a jitter/rumore di fase, invece di usare un circuito comparatore per trasformarla in un'onda quadra, poiché così facendo si aggiunge jitter/rumore di fase e quindi la si degrada. L'onda sinusoidale tagliata crea un'uscita simile all'onda quadra che è compatibile con i carichi digitali senza sacrificare le prestazioni.

Figura 5: L'onda sinusoidale tagliata approssima un'onda quadra riducendo al minimo qualsiasi jitter o rumore di fase aggiuntivo. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International)

Tensione e corrente di alimentazione: entrambe sono ridotte per soddisfare le esigenze degli attuali sistemi a bassa tensione e spesso alimentati a batteria. La maggior parte degli oscillatori della serie MultiVolt può funzionare con tensioni di alimentazione di 1,8 V, 2,5 V, 3,0 V e 3,3 V.

Dimensione del contenitore: proprio come per la tensione e la corrente di funzionamento, anche i contenitori degli oscillatori si sono ridotti di dimensioni. Il settore propone alcune dimensioni standardizzate per i dispositivi a terminazione singola (che hanno bisogno solo di quattro connessioni), mentre gli oscillatori differenziali hanno sei contatti e usano i contenitori più grandi, con dimensioni date qui in millimetri:

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

È tutta una questione di temperatura

Il più grande fattore esterno che influenza le prestazioni dell'oscillatore è la temperatura. Anche se la potenza operativa dell'oscillatore è bassa e quindi l'autoriscaldamento è quasi trascurabile, la temperatura ambiente influisce sulla frequenza operativa poiché questi cambiamenti influenzano le dimensioni meccaniche e le sollecitazioni del cristallo di quarzo. È importante controllare le prestazioni dell'oscillatore selezionato agli estremi degli intervalli previsti. Questi intervalli sono comunemente descritti come:

• Commerciale, grado automotive 4: 0 ~ +70 °C
• Commerciale esteso: -20 ~ +70 °C
• Industriale, grado automotive 3: -40 ~ +85 °C
• Industriale esteso, grado automotive 2: -40 ~ +105 °C
• Grado automotive 1: -40 ~ +125 °C
• Militare: -55 ~ +125 °C
• Grado automotive 0: -40 ~ +150 °C

Per alcuni progetti, non va considerata solo la prestazione sulla temperatura, ma anche la necessità di soddisfare altre specifiche di affidabilità. ECS-2016MVQ, ad esempio, è un oscillatore miniaturizzato a montaggio superficiale MultiVolt con uscita HCMOS per il funzionamento da 1,7 a 3,6 V (Figura 6). Il contenitore ceramico 2016 (2,0 mm × 1,6 mm, come sopra) misura 0,85 mm di altezza, è ideale per applicazioni industriali più impegnative ed è qualificato AEC-Q200 (automotive) per i requisiti di temperatura di grado 1. È disponibile per frequenze da 1,5 a 54 MHz in quattro gradi di stabilità di frequenza, da ±20 ppm a ±100 ppm da -40 a +85 °C; il jitter di fase è molto basso a solo 1 ps, misurato da 12 kHz a 5 MHz.

Figura 6: ECS-2016MVQ è disponibile per frequenze da 1,5 a 54 MHz e in quattro gradi di stabilità da ±20 ppm a ±100 ppm. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International)

Per le applicazioni in cui la deriva nell'intervallo di funzionamento è inaccettabilmente alta, sono disponibili due implementazioni avanzate dell'oscillatore: l'oscillatore a cristallo termocompensato (TCXO) e l'oscillatore a cristallo termostabilizzato (OCXO). (Notate che XTAL è la designazione per il cristallo su molti schemi e la "X" è usata come abbreviazione nell'acronimo) Un TCXO utilizza un circuito attivo per compensare il cambiamento della frequenza di uscita dovuto alla variazione di temperatura. Al contrario, nell'OCXO, l'oscillatore a cristallo è posto in un forno termicamente isolato che viene riscaldato e mantenuto a una temperatura costante al di sopra della temperatura ambiente massima (un forno di solo riscaldamento non può raffreddarsi al di sotto della temperatura ambiente).

I TCXO richiedono una circuiteria aggiuntiva rispetto a un oscillatore di base, ma molta meno potenza dell'OCXO con il suo forno, che tipicamente richiede diversi watt. Inoltre, il TCXO è solo leggermente più grande di un'unità non compensata ed è molto più piccolo di un OCXO. Un TCXO mostrerà tipicamente un miglioramento della deriva tra 10 e 40 volte quello di un'unità non compensata, mentre un OXCO può mostrare prestazioni di deriva che sono di due ordini di grandezza migliori in confronto, ma pagano il prezzo in termini di dimensioni e potenza.

ECS-TXO-32CSMV è un TCXO a montaggio superficiale a onda sinusoidale con capacità MultiVolt (alimentazione da 1,7 a 3,465 V) per frequenze tra 10 e 52 MHz (Figura 7). Il contenitore ceramico di 3,2 × 2,5 × 1,2 mm è adatto ad applicazioni portatili e wireless dove la stabilità è fondamentale. Le specifiche chiave mostrano la sua stabilità estremamente elevata rispetto alla temperatura, al cambiamento dell'alimentazione, al cambiamento del carico e all'invecchiamento insieme alla sua modesta richiesta di corrente di meno di 2 mA (Tabella 1).

Figura 7: ECS-TXO-32CSMV è un oscillatore a cristallo con uscita a onda sinusoidale tagliata che incorpora un circuito di compensazione per migliorare notevolmente le prestazioni di stabilità. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International)

Tabella 1: Le specifiche del TXCO ECS-TXO-32CSMV termocompensato mostrano come la sua compensazione interna migliora le prestazioni di stabilità nonostante una serie di disturbi esterni. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International)

Funzionamento a basso consumo: spesso una priorità

Nonostante le tendenze verso clock di processori a frequenza sempre più alta e velocità dati sempre maggiori, c'è ancora un grande bisogno di oscillatori a cristallo a frequenza più bassa per la temporizzazione in applicazioni a bassissima potenza. Ad esempio, ECS-327MVATX è un oscillatore miniaturizzato a montaggio superficiale che funziona a una frequenza fissa di 32,768 kHz con capacità MultiVolt (da 1,6 a 3,6 V). Con il suo requisito di corrente di soli 200 µA e l'uscita CMOS a terminazione singola, è una buona soluzione per applicazioni di clock in tempo reale (RTC), a bassa potenza/portatili, industriali e per Internet delle cose (IoT). È offerto in contenitori da 2016 a 7050, con stabilità di frequenza che vanno da ±20 ppm a ±100 ppm nell'intervallo di temperatura -40 ⁰C a +85 ⁰C, a seconda del modello.

Per ridurre al minimo il consumo medio, molti oscillatori offrono anche una funzione di abilitazione/disabilitazione. Ad esempio, ECS-5032MV è un oscillatore a montaggio superficiale da 125 MHz con capacità operativa MultiVolt da 1,6 a 3,6 V e uscita CMOS, offerto in un contenitore ceramico 5032 (Figura 8).

Figura 8: ECS-5032MV è un oscillatore a montaggio superficiale da 125 MHz con una funzione di abilitazione/disabilitazione che può aiutare a risparmiare energia. (Immagine per gentile concessione di ECS Inc. International)

Uno dei suoi quattro contatti mette l'oscillatore in modalità standby, riducendo la corrente richiesta dal valore attivo di 35 mA a soli 10 µA di corrente di standby. Il tempo di avvio è di 5 millisecondi dopo la riattivazione dell'unità.

Adattamento delle specifiche all'applicazione

Scegliere l'oscillatore a cristallo adatto per un'applicazione è, come previsto, una questione di controbilanciare specifiche, priorità, costi e peso relativi. Non è solo questione di selezionare un'unità con la frequenza nominale, la stabilità di frequenza, il jitter/rumore di fase come per un oscillatore autonomo. Gli utenti devono anche assicurarsi che il driver di uscita dell'oscillatore sia compatibile con il carico e il sistema associati, in modo che l'accoppiamento non degradi le prestazioni. Se sono molte le considerazioni di questo tipo, vi sono alcune linee guida generali:

• Una uscita LVDS richiede solo un singolo resistore al ricevitore, mentre LVPECL richiede una terminazione sia al trasmettitore che al ricevitore.
• LVDS, LVPECL e HCSL hanno transizioni più veloci del CMOS ma richiedono più potenza e sono più adatti per progetti ad alta frequenza.
• Per il più basso consumo energetico sopra i 150 MHz, CMOS o LVDS sono le scelte migliori.
• LVPECL, LVDS e poi CMOS offrono le migliori prestazioni di jitter a frequenze più basse.

Conclusione

L'oscillatore a cristallo di quarzo è il cuore di molti circuiti e sistemi. Garantire che le prestazioni di questa funzione corrispondano ai requisiti dell'applicazione richiede un attento bilanciamento tra i parametri chiave, a partire dalla precisione della frequenza nominale, la stabilità rispetto alla temperatura e altri fattori come il jitter e il rumore di fase. Richiede anche l'adattamento del formato di pilotaggio dell'uscita dell'oscillatore alle caratteristiche del circuito di carico. Gli oscillatori a cristallo delle famiglie MultiVolt di ECS offrono prestazioni superiori con combinazioni di specifiche in moduli completi e facili da usare.