Il-ħin taċ-ċirkwit huwa funzjoni kritika meħtieġa minn ħafna apparati elettroniċi, inklużi mikrokontrolluri, USB, Ethernet, Wi-Fi, u interfaces Bluetooth, kif ukoll tagħmir tal-kompjuter u periferali, apparat mediku, tagħmir tat-test u kejl, kontroll u awtomazzjoni industrijali, l-Internet tal-Oġġetti (IoT), apparat li jintlibes, u elettronika għall-konsumatur. Filwaqt li d-disinn ta 'kristall-oxxillatur ikkontrollat biex jipprovdi l-ħin tas-sistema jista' inizjalment jidher sempliċi, id-disinjaturi għandhom jikkunsidraw bosta parametri u rekwiżiti tad-disinn meta jqabblu l-kristall tal-kwarz mal-oxxillatur IC.
Hemm diversi fatturi li għandek tikkonsidra, inklużi l-impedenza tal-moviment tal-kristall, il-mod ta 'reżonanza, il-qawwa tas-sewqan, u r-reżistenza negattiva tal-oxxillatur. F'termini ta 'tqassim taċ-ċirkwit, id-disinjaturi għandhom jagħtu kont tal-kapaċità parassitika tal-PCB, iżidu faxxa protettiva madwar il-kristall, u jinkorporaw fuq -capacitors taċ-ċippa. Id-disinn finali għandu jkun kompatt u affidabbli, bl-inqas komponenti, jitter baxx ta 'għeruq medju kwadru (RMS), u konsum minimu ta' enerġija fuq firxa wiesgħa ta 'vultaġġ ta' input.
Oxxillatur tal-kristall ippakkjat sempliċi (SPXO) huwa soluzzjoni waħda. Dawn l-oxxillaturi ta 'vultaġġ kontinwu huma ottimizzati għal konsum baxx ta' enerġija u jitter RMS baxx u jistgħu joperaw fi kwalunkwe vultaġġ bejn 1.60 V u 3.60 V, li jippermettu lid-disinjaturi jiksbu soluzzjoni li tista 'tiġi integrata fis-sistema bi sforz minimu ta' disinn.
Dan l-artikolu ser jiddiskuti fil-qosor xi wħud mir-rekwiżiti ta 'prestazzjoni importanti li għandhom jiġu sodisfatti u l-isfidi tad-disinn li għandhom jingħelbu meta jiġu ddisinjati ċirkwiti ta' ħin bl-użu ta 'kristalli tal-kwarz diskreti u ICs ta' ħin. Imbagħad se tintroduċi s-soluzzjonijiet SPXO ta 'Abracon u tispjega kif id-disinjaturi jistgħu jużaw dawn l-apparati biex jissodisfaw b'mod effettiv ir-rekwiżiti tal-ħin tas-sistemi elettroniċi.
Operazzjoni tal-Oxxillatur tal-Kristall u Sfidi tad-Disinn
Il-konsum tal-enerġija huwa konsiderazzjoni kritika għal apparati mingħajr fili li jaħdmu bil-batteriji żgħar-. Ħafna apparati bħal dawn huma bbażati fuq sistema ta' enerġija ultra-baxxa--on-chip (SoC) radjijiet u proċessuri li jistgħu jappoġġaw il-ħajja tal-batteriji għal bosta snin. Barra minn hekk, peress li l-batterija ħafna drabi hija l-komponent l-aktar għali fis-sistema, it-tnaqqis tad-daqs tagħha huwa kruċjali għall-kontroll tal-ispejjeż tal-apparat. Cela dit, il-kurrent standby ħafna drabi huwa l-aktar konsiderazzjoni kritika tal-ħajja tal-batterija f'sistemi żgħar mingħajr fili, u l-kurrent standby ħafna drabi huwa ddominat mill-oxxillatur tal-arloġġ. Għalhekk, huwa kruċjali li jiġi minimizzat il-konsum kurrenti tal-oxxillatur.
Sfortunatament, id-disinn ta'-oxxillatur ta' qawwa baxxa jista' jkun ta' sfida. Metodu wieħed biex tiffranka l-enerġija huwa li timminimizza l-kurrent ta 'standby billi tidħol fi stat "diżattivat" u tibda l-oxxillatur meta jkun meħtieġ. Madankollu, li teħtieġ oxxillatur tal-kristall biex tibda malajr u b'mod affidabbli mhix biċċa xogħol faċli. Id-disinjaturi għandhom jiżguraw li l-oxxillatur jibqa' fi stat ta' kurrent baxx- waqt standby u jkollu karatteristiċi ta' startup affidabbli taħt il-kundizzjonijiet operattivi u ambjentali kollha.
Il-konfigurazzjoni tal-oxxillatur Pierce tinstab b'mod komuni f'SoCs mingħajr fili ta'-qawwa baxxa (Figura 1). L-oxxillatur Pierce huwa mibni bl-użu ta 'kristall (X) u capacitors tat-tagħbija (C1 u C2), imdawwar b'amplifikatur li jinverti b'reżistur ta' feedback intern. Taħt kundizzjonijiet xierqa, meta l-output tal-amplifikatur jiġi mitmugħ lura lill-input, tiġi ġġenerata reżistenza negattiva, li twassal għal oxxillazzjoni.
Figura 1: Konfigurazzjoni bażika tal-oxxillatur Pierce mibnija madwar kristall (X) u capacitors tat-tagħbija C1 u C2.
L-istruttura tal-kristall hija kumplessa; din id-diskussjoni tkopri biss is-saff ta 'fuq u l-istruttura simplifikata tal-kristalli li joperaw fl-oxxillaturi.
Marġni ta' gwadann ta' ċirku-magħluq Gm jista' jintuża bħala figura ta' mertu (FOM) biex jiddeskrivi l-affidabbiltà ta' oxxillatur relattiv għal diversi telf. Il-marġni tal-gwadann ta' loop-magħluq jissejjaħ ukoll marġini ta' oxxillazzjoni (OA). Valur OA taħt il-5 jista' jwassal għal produzzjoni baxxa u problemi relatati mal-istartjar-t-temperatura. Disinji b'valur OA ta '20 jew ogħla huma robusti u durabbli, joperaw b'mod affidabbli fil-medda tat-temperatura operattiva tad-disinn, u juru impatt minimu minn lottijiet ta' produzzjoni differenti fuq il-karatteristiċi tal-prestazzjoni tal-kristall u SoC.
Biex titkejjel l-OA tal-oxxillatur, jista 'jiġi miżjud reżistenza varjabbli Ra maċ-ċirkwit (Figura 2). Żid il-valur Ra sakemm l-oxxillatur jonqos milli jibda. Dan huwa l-metodu użat biex jiddetermina l-valur OA, kif muri hawn taħt:
Ekwazzjoni 1
Fejn:
Rn hija r-reżistenza negattiva
Re hija r-reżistenza tas-serje ekwivalenti (ESR).
Ekwazzjoni 2
Ekwazzjoni 3
Fejn il-kapaċità tat-tagħbija CL hija kkalkulata kif ġej:
Ekwazzjoni 4
fejn Cs huwa l-kapaċitatur varjabbli taċ-ċirkwit, b'valur tal-kapaċità tipikament bejn 3.0 u 5.0 pF.
Figura 2: Turi l-mudell tal-kristall estiż (kaxxa tan-nofs) u r-reżistenza aġġustabbli (Ra) użati biex ikejlu l-marġni tal-oxxillazzjoni.
OA jiddependi fuq ESR (Re), u ESR jiddependi fuq il-parametri tal-kristall tal-kwarz Rm u l-kapaċità tat-tagħbija CL. Għal oxxillaturi ta'-qawwa baxxa, bħal dawk użati f'apparati mingħajr fili ta'-qawwa baxxa, l-influwenza ta' Rm u CL fuq OA tiżdied. Il-kejl tal-OA jieħu ħin-u jista' jtawwal il-proċess tal-iżvilupp. Għalhekk, dan il-kompitu jista 'jiġi traskurat, li jwassal għal kwistjonijiet ta' prestazzjoni meta s-sistema jew l-apparat jitqiegħed fil-produzzjoni.
Barra minn hekk, l-issettjar ta 'OA għoli biex jiżgura tħaddim affidabbli tal-oxxillatur jista' jikkawża kwistjonijiet oħra. Pereżempju, filwaqt li OA ogħla jtejjeb il-prestazzjoni taċ-ċirkwit tal-oxxillatur, jista 'jinjora t-telf tal-enerġija kkawżat mill-kristall. Telf bħal dan jista 'jkun fattur sinifikanti. B'referenza għall-Figura 2, ir-reżistenza tal-moviment tal-kristall Rm tikkawża dissipazzjoni tal-enerġija hekk kif il-kurrent jgħaddi perjodikament mir-reżistenza. Meta CL ikun kbir, iżid kemm il-kurrent kif ukoll it-telf. Għalhekk, id-disinjaturi jeħtieġ li jibbilanċjaw it-telf tal-qawwa tal-kristall b'valur OA raġonevoli.
Evitar jitter
Meta tfassal oxxillatur tal-kristall tal-kwarz, huwa importanti li tifhem u tnaqqas il-jitter. Jitter għandu żewġ tipi, tipikament imkejla mill-valur ta' l-għerq medju kwadru (RMS):
Jitter tal-perjodu: Magħruf ukoll bħala jitter tal-fażi, dan jirreferi għad-differenza massima fil-ħin bejn diversi perjodi ta 'oxxillazzjoni mkejla, tipikament imkejla fuq mill-inqas 10 perjodi.
Jitter taċ-ċiklu: Din hija l-varjazzjoni massima f'tarf tal-arloġġ, imkejla għal kull ċiklu aktar milli ċikli multipli.
Is-sorsi primarji ta 'jitter fl-oxxillaturi tal-kristall tal-kwarz jinkludu storbju tal-provvista tal-enerġija, armoniċi interi tal-frekwenza tas-sinjal, kundizzjonijiet ta' tagħbija u terminazzjoni mhux xierqa, storbju tal-amplifikatur, u ċerti konfigurazzjonijiet taċ-ċirkwit. Skont is-sors, jistgħu jintużaw metodi differenti biex jimminimizzaw il-jitter.
Uża capacitors tal-bypass, indutturi taċ-ċipp, jew filtri tal--capacitors (RC) tar-reżistenza biex tikkontrolla l-istorbju tal-provvista tal-enerġija.
F'applikazzjonijiet kritiċi li jeħtieġu jitter estremament baxx, l-istabbiliment ta 'metodu biex jikkontrolla l-armoniċi huwa kruċjali (lil hinn mill-ambitu ta' dan l-artikolu).
Naqqas il-qawwa riflessa lura għall-output billi tottimizza l-kundizzjonijiet tat-tagħbija u tat-terminazzjoni.
Evita disinji li jinkludu fażi-loops msakkra, multiplikaturi, jew funzjonijiet programmabbli, peress li ħafna drabi jżidu l-jitter.
Oxxillaturi tal-Kristal ta' Vultaġġ Kontinwu
L-użu tal-ASADV, ASDDV, u ASEDV SPXOs ta 'Abracon huwa vantaġġuż għat-tfassil ta' sistemi fejn il-vultaġġ tal-polarizzazzjoni jvarja bejn 1.60 u 3.60 V (Figura 3). Is-serje SPXO tkopri firxiet ta 'frekwenza differenti; L-apparati ASADV joperaw fi frekwenzi minn 1.25 MHz sa 100 MHz, filwaqt li l-apparati ASDDV u ASEDV joperaw minn 1 MHz sa 160 MHz. Is-serje tikkonforma mal-istandards RoHS/RoHS II u tuża ppakkjar issiġillat tal-wiċċ taċ-ċeramika -mount device (SMD). Fi ħdan il-firxa tat-temperatura operattiva ta '-40 grad sa +85 grad, is-serje tikseb stabbiltà tal-frekwenza ta' ±25 ppm.
OA jiddependi fuq ESR (Re), u ESR jiddependi fuq il-parametri tal-kristall tal-kwarz Rm u l-kapaċità tat-tagħbija CL. Għal oxxillaturi ta'-qawwa baxxa, bħal dawk użati f'apparati mingħajr fili ta'-qawwa baxxa, l-influwenza ta' Rm u CL fuq OA tiżdied. Il-kejl tal-OA jieħu ħin-u jista' jtawwal il-proċess tal-iżvilupp. Għalhekk, dan il-kompitu jista 'jiġi traskurat, u jwassal għal kwistjonijiet ta' prestazzjoni meta s-sistema jew l-apparat jitqiegħed fil-produzzjoni.
Barra minn hekk, l-issettjar ta 'OA għoli biex jiżgura tħaddim affidabbli tal-oxxillatur jista' jikkawża kwistjonijiet oħra. Pereżempju, filwaqt li OA ogħla jtejjeb il-prestazzjoni taċ-ċirkwit tal-oxxillatur, jista 'jinjora t-telf tal-enerġija kkawżat mill-kristall. Telf bħal dan jista 'jkun fattur sinifikanti. B'referenza għall-Figura 2, ir-reżistenza tal-moviment tal-kristall Rm tikkawża dissipazzjoni tal-enerġija hekk kif il-kurrent jgħaddi perjodikament mir-reżistenza. Meta CL ikun kbir, iżid kemm il-kurrent kif ukoll it-telf. Għalhekk, id-disinjaturi jeħtieġ li jibbilanċjaw it-telf tal-qawwa tal-kristall b'valur OA raġonevoli.
Evitar jitter
Meta tfassal oxxillatur tal-kristall tal-kwarz, huwa importanti li tifhem u tnaqqas il-jitter. Jitter għandu żewġ tipi, tipikament imkejla mill-valur ta' l-għerq medju kwadru (RMS):
Jitter tal-perjodu: Magħruf ukoll bħala jitter tal-fażi, dan jirreferi għad-differenza massima fil-ħin bejn diversi perjodi ta 'oxxillazzjoni mkejla, tipikament imkejla fuq mill-inqas 10 perjodi.
Jitter taċ-ċiklu: Din hija l-varjazzjoni massima f'tarf tal-arloġġ, imkejla għal kull ċiklu aktar milli ċikli multipli.
Is-sorsi primarji ta 'jitter fl-oxxillaturi tal-kristall tal-kwarz jinkludu storbju tal-provvista tal-enerġija, armoniċi interi tal-frekwenza tas-sinjal, kundizzjonijiet ta' tagħbija u terminazzjoni mhux xierqa, storbju tal-amplifikatur, u ċerti konfigurazzjonijiet taċ-ċirkwit. Skont is-sors, jistgħu jintużaw metodi differenti biex jimminimizzaw il-jitter.
Uża capacitors tal-bypass, indutturi taċ-ċipp, jew filtri tal--capacitors (RC) tar-reżistenza biex tikkontrolla l-istorbju tal-provvista tal-enerġija.
F'applikazzjonijiet kritiċi li jeħtieġu jitter estremament baxx, l-istabbiliment ta 'metodu biex jikkontrolla l-armoniċi huwa kruċjali (lil hinn mill-ambitu ta' dan l-artikolu).
Naqqas il-qawwa riflessa lura għall-output billi tottimizza l-kundizzjonijiet tat-tagħbija u tat-terminazzjoni.
Evita disinji li jinkludu fażi-loops msakkra, multiplikaturi, jew funzjonijiet programmabbli, peress li ħafna drabi jżidu l-jitter.
Sommarju
Id-disinjaturi jeħtieġu oxxillaturi preċiżi u affidabbli biex jipprovdu ħin stabbli fuq firxa wiesgħa ta 'applikazzjonijiet u temperaturi operattivi. Oxxillaturi ikkontrollati minn kristall diskreti-jistgħu jilħqu l-karatteristiċi ta' prestazzjoni meħtieġa, iżda hija teknikament ta' sfida li tiddisinja b'mod effettiv bl-użu ta' kristalli, li jieħu ż-żmien-u jirriżulta fi spejjeż bla bżonn. Barra minn hekk, mhumiex l-aħjar għażla f'termini ta 'fattur tal-forma.
Kif muri fil-figura, id-disinjaturi jistgħu jutilizzaw SPXOs integrati ta'-qawwa baxxa. Dawn l-SPXOs jiffurmaw soluzzjoni ta' ħin lesta-biex-tuża, li jiksbu stabbiltà eċċellenti ta' frekwenza fuq firxa ta' temperatura operattiva wiesgħa ħafna. Bl-użu ta 'SPXOs, id-disinjaturi jistgħu jnaqqsu n-numru ta' komponenti, jimminimizzaw id-daqs tas-soluzzjoni, ibaxxu l-ispejjeż tal-assemblaġġ, u jtejbu l-affidabbiltà.