La temporización de circuitos es una función crítica requerida por muchos dispositivos electrónicos, incluidos microcontroladores, interfaces USB, Ethernet, Wi-Fi y Bluetooth, así como dispositivos y periféricos informáticos, dispositivos médicos, equipos de prueba y medición, control y automatización industrial, Internet de las cosas (IoT), dispositivos portátiles y electrónica de consumo. Si bien diseñar un oscilador-controlado por cristal para proporcionar sincronización al sistema puede parecer inicialmente sencillo, los diseñadores deben considerar numerosos parámetros y requisitos de diseño al combinar el cristal de cuarzo con el CI del oscilador.
Hay varios factores a considerar, incluida la impedancia del movimiento del cristal, el modo de resonancia, la potencia del accionamiento y la resistencia negativa del oscilador. En términos de diseño del circuito, los diseñadores deben tener en cuenta la capacitancia parásita de la PCB, agregar una banda protectora alrededor del cristal e incorporar condensadores en-chip. El diseño final debe ser compacto y confiable, con la menor cantidad de componentes, baja fluctuación cuadrática media (RMS) y consumo de energía mínimo en un amplio rango de voltaje de entrada.
Un oscilador de cristal empaquetado simple (SPXO) es una solución. Estos osciladores de voltaje continuo están optimizados para un bajo consumo de energía y una baja fluctuación RMS y pueden operar a cualquier voltaje entre 1,60 V y 3,60 V, lo que permite a los diseñadores lograr una solución que se puede integrar en el sistema con un mínimo esfuerzo de diseño.
Este artículo analizará brevemente algunos de los requisitos de rendimiento importantes que deben cumplirse y los desafíos de diseño que deben superarse al diseñar circuitos de temporización que utilizan cristales de cuarzo discretos y circuitos integrados de temporización. Luego presentará las soluciones SPXO de Abracon y explicará cómo los diseñadores pueden usar estos dispositivos para cumplir de manera efectiva los requisitos de sincronización de los sistemas electrónicos.
Desafíos de diseño y operación del oscilador de cristal
El consumo de energía es una consideración crítica para los dispositivos inalámbricos-pequeños que funcionan con baterías. Muchos de estos dispositivos se basan en radios y procesadores con un sistema de energía ultra-baja-en-chip (SoC) que pueden soportar una duración de batería de varios años. Además, dado que la batería suele ser el componente más caro del sistema, minimizar su tamaño es crucial para controlar los costos del dispositivo. Dicho esto, la corriente de espera es a menudo la consideración más crítica sobre la duración de la batería en sistemas inalámbricos pequeños, y la corriente de espera suele estar dominada por el oscilador del reloj. Por lo tanto, es crucial minimizar el consumo actual del oscilador.
Lamentablemente, diseñar un oscilador de baja-potencia puede resultar complicado. Un método para ahorrar energía es minimizar la corriente de espera ingresando a un estado "deshabilitado" e iniciando el oscilador cuando sea necesario. Sin embargo, exigir que un oscilador de cristal se inicie de forma rápida y fiable no es una tarea fácil. Los diseñadores deben asegurarse de que el oscilador permanezca en un estado de baja-corriente durante el modo de espera y tenga características de arranque confiables en todas las condiciones ambientales y operativas.
La configuración del oscilador Pierce se encuentra comúnmente en SoC inalámbricos de bajo-consumo (Figura 1). El oscilador Pierce está construido utilizando un cristal (X) y condensadores de carga (C1 y C2), rodeados por un amplificador inversor con una resistencia de retroalimentación interna. En condiciones adecuadas, cuando la salida del amplificador se realimenta a la entrada, se genera una resistencia negativa que provoca una oscilación.
Figura 1: Configuración básica del oscilador Pierce construida alrededor de cristal (X) y condensadores de carga C1 y C2.
La estructura cristalina es compleja; Esta discusión solo cubre la capa superior y la estructura simplificada de los cristales que operan en osciladores.
El margen de ganancia de bucle cerrado-Gm se puede utilizar como figura de mérito (FOM) para describir la confiabilidad de un oscilador en relación con diversas pérdidas. El margen de ganancia de bucle cerrado-también se conoce como margen de oscilación (OA). Un valor de OA inferior a 5 puede provocar un bajo rendimiento de producción y problemas de inicio relacionados con la temperatura-. Los diseños con un valor OA de 20 o superior son robustos y duraderos, funcionan de manera confiable dentro del rango de temperatura operativa de diseño y exhiben un impacto mínimo de diferentes lotes de producción en las características de rendimiento del cristal y del SoC.
Para medir el OA del oscilador, se puede agregar una resistencia variable Ra al circuito (Figura 2). Aumente el valor de Ra hasta que el oscilador no se inicie. Este es el método utilizado para determinar el valor de OA, como se muestra a continuación:
Ecuación 1
Dónde:
Rn es la resistencia negativa
Re es la resistencia en serie equivalente (ESR).
Ecuación 2
Ecuación 3
Donde la capacitancia de carga CL se calcula de la siguiente manera:
Ecuación 4
donde Cs es el condensador variable del circuito, con un valor de capacitancia típicamente entre 3,0 y 5,0 pF.
Figura 2: Muestra el modelo de cristal extendido (caja central) y la resistencia ajustable (Ra) utilizada para medir el margen de oscilación.
OA depende de ESR (Re), y ESR depende de los parámetros del cristal de cuarzo Rm y la capacitancia de carga CL. Para osciladores de baja-potencia, como los utilizados en dispositivos inalámbricos de baja-potencia, la influencia de Rm y CL en OA aumenta. Medir el acceso abierto requiere mucho tiempo-y puede prolongar el proceso de desarrollo. Por lo tanto, esta tarea puede descuidarse, lo que genera problemas de rendimiento cuando el sistema o dispositivo se pone en producción.
Además, establecer un OA alto para garantizar un funcionamiento confiable del oscilador puede causar otros problemas. Por ejemplo, si bien un OA más alto mejora el rendimiento del circuito oscilador, puede pasar por alto las pérdidas de potencia causadas por el cristal. Estas pérdidas pueden ser un factor importante. Con referencia a la Figura 2, la resistencia al movimiento del cristal Rm provoca la disipación de potencia a medida que la corriente fluye periódicamente a través de la resistencia. Cuando CL es grande, aumenta tanto la corriente como las pérdidas. Por lo tanto, los diseñadores deben equilibrar la pérdida de energía del cristal con un valor de OA razonable.
Evitar la inquietud
Al diseñar un oscilador de cristal de cuarzo, es importante comprender y reducir la fluctuación. La fluctuación tiene dos tipos, generalmente medida por el valor cuadrático medio (RMS):
Jitter de período: también conocido como jitter de fase, se refiere a la diferencia de tiempo máxima entre varios períodos de oscilación medidos, generalmente medidos durante al menos 10 períodos.
Jitter del ciclo: Esta es la variación máxima en el flanco de un reloj, medida para cada ciclo en lugar de para múltiples ciclos.
Las principales fuentes de fluctuación en los osciladores de cristal de cuarzo incluyen el ruido de la fuente de alimentación, los armónicos enteros de la frecuencia de la señal, las condiciones inadecuadas de carga y terminación, el ruido del amplificador y ciertas configuraciones de circuito. Dependiendo de la fuente, se pueden emplear diferentes métodos para minimizar la inquietud.
Utilice condensadores de derivación, inductores de chip o filtros de condensadores de resistencia-(RC) para controlar el ruido de la fuente de alimentación.
En aplicaciones críticas que requieren una fluctuación extremadamente baja, es crucial establecer un método para controlar los armónicos (más allá del alcance de este artículo).
Reduzca la potencia reflejada hacia la salida optimizando las condiciones de carga y terminación.
Evite diseños que incluyan bucles de bloqueo de fase-, multiplicadores o funciones programables, ya que a menudo aumentan la fluctuación.
Osciladores de cristal de voltaje continuo
El uso de los SPXO ASADV, ASDDV y ASEDV de Abracon es ventajoso para diseñar sistemas donde el voltaje de polarización varía entre 1,60 y 3,60 V (Figura 3). La serie SPXO cubre diferentes rangos de frecuencia; Los dispositivos ASADV operan en frecuencias de 1,25 MHz a 100 MHz, mientras que los dispositivos ASDDV y ASEDV operan de 1 MHz a 160 MHz. La serie cumple con los estándares RoHS/RoHS II y utiliza un embalaje sellado de dispositivo de montaje en superficie cerámica-(SMD). Dentro del rango de temperatura de funcionamiento de -40 grados a +85 grados, la serie logra una estabilidad de frecuencia de ±25 ppm.
OA depende de ESR (Re), y ESR depende de los parámetros del cristal de cuarzo Rm y la capacitancia de carga CL. Para osciladores de baja-potencia, como los utilizados en dispositivos inalámbricos de baja-potencia, la influencia de Rm y CL en OA aumenta. Medir el acceso abierto requiere mucho tiempo-y puede prolongar el proceso de desarrollo. Por lo tanto, esta tarea puede descuidarse, lo que genera problemas de rendimiento cuando el sistema o dispositivo se pone en producción.
Además, establecer un OA alto para garantizar un funcionamiento confiable del oscilador puede causar otros problemas. Por ejemplo, si bien un OA más alto mejora el rendimiento del circuito oscilador, puede pasar por alto las pérdidas de potencia causadas por el cristal. Estas pérdidas pueden ser un factor importante. Con referencia a la Figura 2, la resistencia al movimiento del cristal Rm provoca la disipación de potencia a medida que la corriente fluye periódicamente a través de la resistencia. Cuando CL es grande, aumenta tanto la corriente como las pérdidas. Por lo tanto, los diseñadores deben equilibrar la pérdida de energía del cristal con un valor de OA razonable.
Evitar la inquietud
Al diseñar un oscilador de cristal de cuarzo, es importante comprender y reducir la fluctuación. La fluctuación tiene dos tipos, generalmente medida por el valor cuadrático medio (RMS):
Jitter de período: también conocido como jitter de fase, se refiere a la diferencia de tiempo máxima entre varios períodos de oscilación medidos, generalmente medidos durante al menos 10 períodos.
Jitter del ciclo: Esta es la variación máxima en el flanco de un reloj, medida para cada ciclo en lugar de para múltiples ciclos.
Las principales fuentes de fluctuación en los osciladores de cristal de cuarzo incluyen el ruido de la fuente de alimentación, los armónicos enteros de la frecuencia de la señal, las condiciones inadecuadas de carga y terminación, el ruido del amplificador y ciertas configuraciones de circuito. Dependiendo de la fuente, se pueden emplear diferentes métodos para minimizar la inquietud.
Utilice condensadores de derivación, inductores de chip o filtros de condensadores de resistencia-(RC) para controlar el ruido de la fuente de alimentación.
En aplicaciones críticas que requieren una fluctuación extremadamente baja, es crucial establecer un método para controlar los armónicos (más allá del alcance de este artículo).
Reduzca la potencia reflejada hacia la salida optimizando las condiciones de carga y terminación.
Evite diseños que incluyan bucles de bloqueo de fase-, multiplicadores o funciones programables, ya que a menudo aumentan la fluctuación.
Resumen
Los diseñadores requieren osciladores precisos y confiables para proporcionar una sincronización estable en una amplia gama de aplicaciones y temperaturas de funcionamiento. Los osciladores controlados por cristal-discreto pueden cumplir con las características de rendimiento requeridas, pero es técnicamente un desafío diseñarlos de manera efectiva utilizando cristales, lo que lleva mucho tiempo-y resulta en costos innecesarios. Además, no son la opción óptima en términos de factor de forma.
Como se muestra en la figura, los diseñadores pueden utilizar SPXO integrados de bajo-consumo. Estos SPXO forman una solución de sincronización-lista para-usar, logrando una excelente estabilidad de frecuencia en un rango de temperatura de funcionamiento muy amplio. Al utilizar SPXO, los diseñadores pueden reducir la cantidad de componentes, minimizar el tamaño de la solución, reducir los costos de ensamblaje y mejorar la confiabilidad.