Hoe eenvoudig en kosteneffectief voldoen aan timingvereisten voor circuits met laag stroomverbruik met SPXO's

Schakeltiming is een kritische functie die vereist is voor een breed scala van elektronische apparaten, waaronder microcontrollers, USB-, Ethernet-, Wi-Fi- en Bluetooth-interfaces, alsook computerapparatuur en randapparatuur, medische apparatuur, test- en meetapparatuur, industriële besturing en automatisering, het Internet of Things (IoT), wearables en consumentenelektronica. Het ontwerpen van kristalgestuurde oscillatoren voor systeemtiming lijkt op het eerste gezicht een eenvoudige opgave, maar ontwerpers moeten rekening houden met talrijke parameters en ontwerpeisen wanneer zij een kwartskristal aan een oscillator-IC koppelen.

De vele overwegingen omvatten de bewegingsimpedantie van het kristal, de resonantiemodus, het aandrijfniveau en de negatieve weerstand van de oscillator. Voor de lay-out van de schakeling moet de ontwerper rekening houden met de parasitaire capaciteit van de printplaat, de opneming van een beschermingsband rond het kristal, en de geïntegreerde capaciteit op de chip. Het uiteindelijke ontwerp moet compact en betrouwbaar zijn met een minimum aantal componenten, een lage kwadratische gemiddelde waarde (rms) hebben, en kunnen werken over een breed bereik van de ingangsspanning met een minimaal stroomverbruik.

Eén oplossing is het gebruik van eenvoudige verpakte kristaloscillators (SPXO's). Deze oscillatoren voor continue spanning zijn geoptimaliseerd voor een laag stroomverbruik en lage rms jitter, en werken op elk voltage tussen 1,60 en 3,60 volt. Ontwerpers kunnen met deze oscillators oplossingen implementeren die een minimale ontwerpinspanning vergen om ze in systemen te integreren.

In dit artikel worden kort enkele belangrijke prestatie-eisen en ontwerpuitdagingen besproken waaraan moet worden voldaan om met succes timingcircuits te ontwerpen die gebruik maken van discrete kwartskristallen en timing-IC's. Vervolgens worden SPXO-oplossingen van Abracon geïntroduceerd en wordt getoond hoe ontwerpers deze kunnen gebruiken om effectief en efficiënt aan de timingbehoeften van elektronische systemen te voldoen.

Kristaloscillatorwerking en ontwerpuitdagingen

Het stroomverbruik is een belangrijke overweging bij kleine, op batterijen werkende draadloze toestellen. Veel van dergelijke toestellen zijn gebaseerd op zeer zuinige system-on-chip (SoC) radio's en processoren die een batterijlevensduur van meerdere jaren aankunnen. Ook het minimaliseren van de grootte van de batterij is belangrijk om de kosten van het toestel te beheersen, aangezien de batterij de duurste component van het systeem kan zijn. Bij kleine draadloze systemen is de stand-by-stroom echter vaak de belangrijkste factor voor de levensduur van de batterij, en de klokoscillator is vaak bepalend voor de stand-by-stroom. Daarom is het van cruciaal belang dat de oscillator zo weinig mogelijk stroom trekt.

Helaas kan het ontwerpen van oscillators met laag vermogen een uitdaging zijn. Een manier om energie te besparen is de standby-stroom te minimaliseren door een "uitgeschakelde" toestand in te schakelen en de oscillator te starten als dat nodig is. Kristaloscillators zijn echter niet eenvoudig om snel en betrouwbaar op te starten. Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat de oscillator in stand-by een lage stroom trekt en betrouwbare opstartkarakteristieken heeft in alle bedrijfs- en omgevingsomstandigheden.

De Pierce-oscillatorconfiguratie wordt vaak gebruikt in draadloze SoC's met laag vermogen (Afbeelding 1). Een Pierce-oscillator is opgebouwd rond een kristal- (X) en belastingscondensators (_C1 en_C2), omwikkeld met een inverterende versterker met een interne terugkoppelweerstand. Onder de juiste omstandigheden, wanneer de uitgang van de versterker wordt teruggevoerd naar de ingang, resulteert dit in een negatieve weerstand en ontstaat er oscillatie.

Afbeelding 1: Basisconfiguratie van de Pierce-oscillator, opgebouwd rond een kristal- (X) en belastingscondensators C₁ en C₂. (Bron afbeelding: Abracon)

Kristallen zijn complexe structuren; deze bespreking geeft slechts een vereenvoudigde kijk op hun werking in oscillatoren.

De gesloten-lus versterkingsmarge, Gm, kan worden gebruikt als een cijfer van verdienste (FOM) om de betrouwbaarheid van een oscillator ten opzichte van verschillende verliezen te karakteriseren. Het wordt ook wel de oscillatie toeslag (OA) genoemd. Een OA onder 5 kan resulteren in lage productieopbrengsten en temperatuurgerelateerde opstartproblemen. Ontwerpen met een OA van 20 of meer zijn robuust, bieden een betrouwbare werking over het ontworpen bedrijfstemperatuurbereik, en zijn ongevoelig voor variaties in de productielot wat kristal- en SoC-prestatiekenmerken betreft.

Om de OA van een oscillator te meten, wordt een variabele weerstand, R_a, aan de schakeling toegevoegd (Afbeelding 2). De waarde van R_a wordt verhoogd totdat de oscillator niet meer kan starten. Dat is de waarde die wordt gebruikt om OA als volgt te bepalen:

 Vergelijking 1

met

R_n is de negatieve weerstand

R_e de equivalente serieweerstand (ESR) is

 Vergelijking 2

 Vergelijking 3

Waarbij de belastingscapaciteit, C_L, wordt berekend met:

 Vergelijking 4

Waarbij Cs de doorlaatcondensator is, gewoonlijk 3,0 tot 5,0 picofarads (pF).

Afbeelding 2: Pierce-oscillator met het uitgebreide kristalmodel (in het vakje in het midden) en de regelbare weerstand (R_a) voor het meten van de oscillatietoeslag. (Bron afbeelding: Abracon)

OA is afhankelijk van de ESR (R_e), en de ESR is afhankelijk van de kwartskristalparameter R_m en de belastingscapaciteit, C_L. De invloed van R_m en C_L op OA neemt toe voor oscillatoren met een laag vermogen, zoals die worden gebruikt in draadloze apparatuur met een laag vermogen. Het meten van OA kost tijd en kan het ontwikkelingsproces lijken te verlengen. Daardoor kan het over het hoofd worden gezien, met prestatieproblemen tot gevolg wanneer het systeem of apparaat in productie wordt genomen.

Bovendien kan het instellen van een hoge OA om een betrouwbare werking van de oscillator te garanderen tot andere problemen leiden. Zo zal bijvoorbeeld een hoge OA resulteren in hoge prestaties van het oscillatorcircuit, maar kunnen vermogensverliezen ten gevolge van het kristal over het hoofd worden gezien. Deze verliezen kunnen een belangrijke factor zijn. Terugkijkend naar Afbeelding 2: de bewegingsweerstand van het kristal, R_m, veroorzaakt vermogensdissipatie naarmate de stroom door de weerstand loopt. De stroom en de verliezen nemen toe wanneer C_L groter is. Ontwerpers moeten een evenwicht zien te vinden tussen vermogensverliezen in het kristal en een redelijke waarde voor OA.

Vermijden van jitter

Bij het ontwerpen van kwartskristaloscillatoren is het belangrijk jitter te begrijpen en te minimaliseren. Er zijn twee soorten jitter, die beide gewoonlijk worden gemeten als rms-waarden:

• Cyclus-tot-cyclusjitter: Ook wel fasejitter genoemd, is het maximale tijdsverschil tussen verschillende gemeten perioden van oscillatie, meestal gemeten over minimaal 10 perioden.
• Periodejitter: Dit is de maximale verandering van een klokrand en wordt gemeten bij elke periode, maar niet bij meerdere perioden.

Belangrijke bronnen van jitter in kwartskristaloscillators zijn o.a. voedingsruis, integere harmonischen van de signaalfrequentie, onjuiste belastings- en afsluitvoorwaarden, versterkerruis, en bepaalde circuitconfiguraties. Afhankelijk van de bron zijn er verschillende methoden die kunnen worden toegepast om jitter te minimaliseren:

• Gebruik van bypass-condensatoren, chip beads, of weerstand-capaciteit (RC) filters om de ruis van de voeding te beheersen.
• In kritische toepassingen die een zeer lage jitter vereisen, is het van belang een methode op te zetten om de harmonischen te beheersen (dit valt buiten het bestek van dit artikel).
• Verminder het teruggekaatste vermogen naar de uitgang door de belasting en de afsluitvoorwaarden te optimaliseren.
• Vermijd het gebruik van ontwerpen met fase-locked loops, vermenigvuldigers, of programmeerbare functies, aangezien die de neiging hebben de jitter te verhogen.

Kristaloscillators met continue spanning

Ontwerpers van systemen met een variërende systeembias-spanning tussen 1,60 en 3,60 volt kunnen baat hebben bij het gebruik van de ASADV, ASDDV en ASEDV SPXO's van Abracon (Afbeelding 3). Deze SPXO-families bestrijken verschillende frequentiebereiken; 1,25 megahertz (MHz) tot 100 MHz voor de ASADV-apparaten, en 1 MHz tot 160 MHz voor de ASDDV- en ASEDV-apparaten. Zij voldoen aan de RoHS/RoHS II-voorschriften en worden geleverd in hermetisch gesloten SMD-pakketten (ceramic surface-mount device). Hun frequentiestabiliteit bedraagt ±25 deeltjes per miljoen (ppm) over hun bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C.

Afbeelding 3: De ASADV (afgebeeld), ASDDV en ASEDV SPXO's zijn verpakt in hermetisch gesloten keramische behuizingen en kunnen werken bij -40 °C tot +85 °C. (Bron afbeelding: Abracon)

De ASADV meet 2,0 x 1,6 x 0,8 millimeter (mm), de ASDDV meet 2,5 x 2,0 x 0,95 mm, en de ASEDV meet 3,2 x 2,5 x 1,2 mm. Deze drie series zijn verkrijgbaar met een verscheidenheid van gangbare bedrijfstemperatuurbereiken, stabiliteitsopties, en een CMOS/HCMOS/LVCMOS compatibel uitgangsformaat.

Belangrijk is dat de ASADV-, ASDVD- en ASEDV-families zijn geoptimaliseerd voor werking met lage stroomsterkte (Afbeelding 4). De in-/uitschakelfunctie voor de uitgang verlaagt de stroom tot slechts 10 microampère (μA) wanneer deze is uitgeschakeld. Zij hebben een maximale opstarttijd van 10 milliseconden (ms).

Afbeelding 4: Afgebeeld is het stroomverbruik van de ASEDV afgezet tegen de voedingsspanning die typerend is voor de prestaties van deze familie van SPXO's (gemeten bij 2 5°C ±3 °C). (Bron afbeelding: Abracon)

Alle drie de SPXO-families hebben een bijzonder laag stroomverbruik. Voor de ASADV varieert de maximale stroom (gemeten in een belasting van 15 pF bij 25 °C) van 1,0 milliampère (mA) bij 1,25 MHz en een voedingsspanning van 1,8 volt, tot 14,5 mA bij 81 MHz en een voedingsspanning van 3,3 volt. Voor de ASDDV en ASEDV varieert de maximale stroom van 1,0 mA bij 1 MHz en een voedingsspanning van 1,8 volt, tot 19 mA bij 157 MHz en een voedingsspanning van 3,3 volt.

De apparaten kunnen meerdere belastingen aansturen en hebben goede prestaties op het gebied van elektromagnetische interferentie (EMI) en een lage jitter. Zij zijn gespecificeerd voor een rms fasejitter van <1,0 picoseconde (ps) en een periodejitter van maximaal 7,0 ps.

De SPXO's bieden ook een goede frequentiestabiliteit over hun gehele bedrijfstemperatuurbereik (Afbeelding 5). In veel toepassingen kunnen deze oscillators worden gebruikt als drop-in oplossingen, waarvoor weinig ontwerpwerk nodig is. Zij maken ook een bias-specifieke oscillatorselectie overbodig en elimineren bias-afhankelijke frequentievariaties.

Afbeelding 5: Deze SPXO's hebben een goede frequentiestabiliteit over het gehele bedrijfstemperatuurbereik. Deze grafiek voor de ASEDV-familie is typerend. (Bron afbeelding: Abracon)

Ten slotte, wanneer schokken en trillingen geen kritische overwegingen zijn, kunnen de ASADV-, ASDVD- en ASEDV-kristaloscillatoren met continue spanning op het oppervlak worden gebruikt om goedkopere alternatieven te bieden voor micro-elektromechanische systemen (MEMS) oscillators.

Conclusie

Ontwerpers hebben nauwkeurige en betrouwbare oscillators nodig voor een stabiele timing bij een groot aantal toepassingen en bedrijfstemperaturen. Discrete kristalgestuurde oscillators kunnen aan de vereiste prestatiekenmerken voldoen, maar het effectief ontwerpen met kristallen kan technisch moeilijk, tijdrovend en onnodig duur zijn, en suboptimaal wat de vormfactor betreft.

Zoals aangetoond, kunnen ontwerpers in plaats daarvan gebruik maken van geïntegreerde SPXO's met laag vermogen die drop-in timingoplossingen vormen met een goede frequentiestabiliteit over een breed bedrijfstemperatuurbereik. Met SPXO's kunnen ontwerpers het aantal componenten verminderen, de oplossing kleiner maken, de assemblagekosten verlagen en de betrouwbaarheid verbeteren.

Aanbevolen lectuur

Hoe een oscillator kiezen en effectief toepassen