วิธีการเรียบง่ายและคุ้มค่าตรงตามข้อกำหนดการกำหนดเวลาวงจรพลังงานต่ำโดยใช้ SPXOs

การจับเวลาของวงจรเป็นฟังก์ชันที่สำคัญที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลายประเภท รวมถึงไมโครคอนโทรลเลอร์, USB, อีเทอร์เน็ต, Wi-Fi และอินเทอร์เฟซ Bluetooth ตลอดจนอุปกรณ์คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ต่อพ่วง อุปกรณ์ทางการแพทย์ อุปกรณ์ทดสอบและวัด การควบคุมอุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติ Internet of Things (IoT) อุปกรณ์สวมใส่ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การออกแบบออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยคริสตัลเพื่อให้ระบบจับเวลาในตอนแรกดูเหมือนจะเป็นแบบฝึกหัดง่าย ๆ แต่นักออกแบบต้องพิจารณาพารามิเตอร์และข้อกำหนดในการออกแบบจำนวนมากเมื่อจับคู่คริสตัลควอตซ์กับออสซิลเลเตอร์ IC

ข้อควรพิจารณามากมายรวมถึงอิมพีแดนซ์การเคลื่อนที่แบบคริสตัล โหมดเรโซแนนซ์ ระดับการขับ และความต้านทานเชิงลบของออสซิลเลเตอร์ สำหรับเค้าโครงวงจร ผู้ออกแบบต้องพิจารณาความจุกาฝากของบอร์ดพีซี การรวมแถบป้องกันรอบคริสตัล และความจุรวมบนชิป การออกแบบขั้นสุดท้ายต้องมีขนาดกะทัดรัดและเชื่อถือได้ด้วยจำนวนส่วนประกอบขั้นต่ำ มีการกระวนกระวายใจของค่ากลางรากต่ำ (rms) และต้องสามารถทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างโดยใช้พลังงานน้อยที่สุด

ทางออกหนึ่งคือการใช้คริสตัลออสซิลเลเตอร์แบบบรรจุกล่องอย่างง่าย (SPXO) ปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้พลังงานต่ำและ rms jitter ต่ำ บวกการทำงานที่แรงดันไฟฟ้าใดๆ ระหว่าง 1.60 ถึง 3.60 โวลต์ ออสซิลเลเตอร์แรงดันต่อเนื่องเหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถใช้โซลูชันที่ต้องใช้ความพยายามในการออกแบบเพียงเล็กน้อยเพื่อรวมเข้ากับระบบ

บทความนี้จะกล่าวถึงข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่สำคัญและความท้าทายในการออกแบบโดยย่อซึ่งต้องได้รับการตอบสนองจึงจะประสบความสำเร็จในการออกแบบวงจรจับเวลาโดยใช้ผลึกควอตซ์แบบแยกและไอซีจับเวลา จากนั้นจะแนะนำโซลูชัน SPXO จาก Abracon และแสดงให้เห็นว่านักออกแบบสามารถใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อตอบสนองความต้องการของระบบอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผล

ความท้าทายในการใช้งานและการออกแบบคริสตัลออสซิลเลเตอร์

การใช้พลังงานถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในอุปกรณ์ไร้สายขนาดเล็กที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ อุปกรณ์ดังกล่าวจำนวนมากใช้วิทยุและโปรเซสเซอร์ system-on-chip (SoC) ที่ใช้พลังงานต่ำมาก ซึ่งสามารถรองรับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้นานหลายปี นอกจากนี้ การลดขนาดของแบตเตอรี่เป็นสิ่งสำคัญในการควบคุมต้นทุนของอุปกรณ์ เนื่องจากแบตเตอรี่อาจเป็นส่วนประกอบที่แพงที่สุดในระบบ ที่กล่าวว่ากระแสไฟสแตนด์บายมักเป็นการพิจารณาอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่สำคัญที่สุดในระบบไร้สายขนาดเล็ก และออสซิลเลเตอร์นาฬิกามักจะครอบงำกระแสสแตนด์บาย ดังนั้นการลดกระแสของออสซิลเลเตอร์ให้น้อยที่สุดจึงเป็นสิ่งสำคัญ

น่าเสียดายที่การออกแบบออสซิลเลเตอร์ที่ใช้พลังงานต่ำอาจเป็นสิ่งที่ท้าทาย วิธีหนึ่งในการประหยัดพลังงานคือการลดกระแสไฟสแตนด์บายให้เหลือน้อยที่สุดโดยเข้าสู่สถานะ "ปิดใช้งาน" และเริ่มต้นออสซิลเลเตอร์ตามต้องการ อย่างไรก็ตาม ออสซิลเลเตอร์คริสตัลไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะเริ่มต้นอย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้ นักออกแบบต้องระมัดระวังเพื่อรับประกันว่าออสซิลเลเตอร์จะดึงกระแสไฟต่ำระหว่างสแตนด์บาย และมีลักษณะการเริ่มต้นทำงานที่เชื่อถือได้ในทุกสภาวะการทำงานและสภาพแวดล้อม

การกำหนดค่า Pierce oscillator มักใช้ใน SoC ไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำ (รูปที่ 1) Pierce oscillator สร้างขึ้นจากคริสตัล (X) และตัวเก็บประจุแบบโหลด (C₁ และ C₂) หุ้มด้วยแอมพลิฟายเออร์กลับด้านโดยใช้ตัวต้านทานป้อนกลับภายใน ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม เมื่อเอาท์พุตของแอมพลิฟายเออร์กลับเข้าไปในอินพุท จะส่งผลให้เกิดการต้านทานเชิงลบและการสั่นเกิดขึ้น

รูปที่ 1: การกำหนดค่าออสซิลเลเตอร์ Pierce พื้นฐานที่สร้างขึ้นจากคริสตัล (X) และตัวเก็บประจุโหลด C₁ และ C₂ (ที่มาของภาพ: Abracon)

คริสตัลเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อน การสนทนานี้ให้การทำงานในออสซิลเลเตอร์ระดับบนสุดและเรียบง่ายเท่านั้น

อัตรากำไรขั้นต้นแบบวงปิด Gm สามารถใช้เป็นตัวเลขของบุญ (FOM) เพื่อระบุลักษณะความน่าเชื่อถือของออสซิลเลเตอร์ที่สัมพันธ์กับการสูญเสียต่าง ๆ เรียกอีกอย่างว่าค่าเผื่อการสั่น (OA) OA ที่ต่ำกว่า 5 อาจส่งผลให้ได้ผลผลิตต่ำและปัญหาในการเริ่มทำงานที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ การออกแบบที่มี OA 20 หรือมากกว่านั้นแข็งแกร่ง ให้การทำงานที่เชื่อถือได้ในช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ออกแบบ และไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของล็อตการผลิตในแง่ของลักษณะผลึกและประสิทธิภาพของ SoC

ในการวัดค่า OA ของออสซิลเลเตอร์, ตัวต้านทานปรับค่าได้, R_NS ถูกเพิ่มเข้าไปในวงจร (รูปที่ 2) ค่าของ R_NS เพิ่มขึ้นจนออสซิลเลเตอร์ไม่สามารถสตาร์ทได้ นั่นคือค่าที่ใช้กำหนด OA ดังนี้

สมการที่ 1

ที่ไหน:

R_n คือแนวต้านติดลบ

R_e เป็นค่าความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR)

 สมการ 2

สมการ 3

ที่ความจุโหลด C_Lคำนวณโดยใช้:

 สมการที่ 4

โดยที่ Cs คือความจุของวงจรเร่ร่อน โดยปกติ 3.0 ถึง 5.0 picofarads (pF)

รูปที่ 2: ออสซิลเลเตอร์เพียร์ซแสดงโมเดลคริสตัลขยาย (ในกล่องตรงกลาง) และตัวต้านทานแบบปรับได้ (R_a) สำหรับวัดค่าเผื่อการแกว่ง (ที่มาของภาพ: Abracon)

OA ขึ้นอยู่กับ ESR (R_e) และ ESR ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ผลึกควอตซ์ R_m และความจุโหลด C_L ผลกระทบของ R_m และ C_L บน OA จะเพิ่มขึ้นสำหรับออสซิลเลเตอร์ที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น ออสซิลเลเตอร์ที่ใช้ในอุปกรณ์ไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำ การวัด OA ต้องใช้เวลาและดูเหมือนจะขยายกระบวนการพัฒนาได้ ส่งผลให้มองข้ามทำให้เกิดปัญหาด้านประสิทธิภาพเมื่อระบบหรืออุปกรณ์เข้าสู่กระบวนการผลิต

นอกจากนี้ การตั้งค่า OA ที่สูงเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานของออสซิลเลเตอร์ที่เชื่อถือได้อาจส่งผลให้เกิดปัญหาอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น OA ที่สูงจะทำให้ประสิทธิภาพของวงจรออสซิลเลเตอร์สูง แต่สามารถมองข้ามการสูญเสียพลังงานเนื่องจากคริสตัลได้ การสูญเสียเหล่านี้อาจเป็นปัจจัยสำคัญ มองย้อนกลับไปที่รูปที่ 2 ผลึกต้านทานการเคลื่อนที่ R_mทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานเมื่อกระแสหมุนเวียนผ่านแนวต้าน กระแสและความสูญเสียเพิ่มขึ้นเมื่อ C_L มีขนาดใหญ่ขึ้น นักออกแบบจำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างการสูญเสียพลังงานในคริสตัลและค่าที่สมเหตุสมผลสำหรับ OA

หลีกเลี่ยงกระวนกระวายใจ

เมื่อออกแบบออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์ การกระวนกระวายใจเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจและย่อให้เหลือน้อยที่สุด ความแปรปรวนมีสองประเภท ซึ่งโดยทั่วไปแล้วทั้งสองประเภทจะถูกวัดเป็นค่า rms:

• ความแปรปรวนแบบวัฏจักรต่อวัฏจักร: เรียกอีกอย่างว่า phase jitter คือความต่างของเวลาสูงสุดระหว่างช่วงการสั่นที่วัดได้หลายช่วง ซึ่งปกติจะวัดในช่วงขั้นต่ำ 10 ช่วงเวลา
• ระยะเวลาแปรปรวนใจ: นี่คือการเปลี่ยนแปลงสูงสุดของขอบนาฬิกาและวัดในแต่ละช่วงเวลา แต่ไม่ใช่หลายช่วงเวลา

แหล่งที่มาหลักของการแปรปรวนในออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์รวมถึงสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ ฮาร์โมนิกของความถี่สัญญาณจำนวนเต็ม เงื่อนไขโหลดและสิ้นสุดที่ไม่เหมาะสม เสียงของแอมพลิฟายเออร์ และการกำหนดค่าวงจรบางอย่าง มีหลายวิธีที่สามารถใช้เพื่อลดความแปรปรวนได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มา:

• การใช้ตัวเก็บประจุบายพาส เม็ดบีด หรือฟิลเตอร์ตัวต้านทานตัวเก็บประจุ (RC) เพื่อควบคุมสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ
• ในการใช้งานที่สำคัญซึ่งต้องการความกระวนกระวายใจต่ำมาก จำเป็นต้องสร้างวิธีการควบคุมฮาร์โมนิกส์ (นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้)
• ลดพลังงานสะท้อนกลับเข้าสู่เอาต์พุตโดยปรับสภาพโหลดและการยกเลิกให้เหมาะสม
• หลีกเลี่ยงการใช้การออกแบบที่มีเฟสล็อกลูป ตัวคูณ หรือคุณลักษณะที่ตั้งโปรแกรมได้ เนื่องจากมักจะเพิ่มความกระวนกระวายใจ

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแรงดันต่อเนื่อง

ผู้ออกแบบระบบที่มีแรงดันอคติของระบบที่แตกต่างกันระหว่าง 1.60 ถึง 3.60 โวลต์สามารถได้รับประโยชน์จากการใช้ ASADV, ASDDV, และ ASEDV SPXO จาก Abracon (รูปที่ 3) ตระกูล SPXO เหล่านี้ครอบคลุมช่วงความถี่ที่แตกต่างกัน 1.25 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ถึง 100 MHz สำหรับอุปกรณ์ ASADV และ 1 MHz ถึง 160 MHz สำหรับอุปกรณ์ ASDDV และ ASEDV เป็นไปตามข้อกำหนด RoHS/RoHS II และมาในแพ็คเกจอุปกรณ์ยึดพื้นผิวเซรามิก (SMD) ที่ปิดผนึกอย่างผนึกแน่น ความเสถียรของความถี่อยู่ที่ ±25 ส่วนต่อล้าน (ppm) ตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -40°C ถึง +85°C

รูปที่ 3: ASADV (ดังแสดง), ASDDV และ ASEDV SPXO บรรจุในบรรจุภัณฑ์เซรามิกที่ปิดสนิทและสามารถทำงานได้ตั้งแต่ -40°C ถึง +85 °C (ที่มาของภาพ: Abracon)

ASADV มีขนาด 2.0 x 1.6 x 0.8 มม. (มม.), ASDDV ขนาด 2.5 x 2.0 x 0.95 มม. และ ASEDV ขนาด 3.2 x 2.5 x 1.2 มม. ทั้งสามซีรีส์นี้มีช่วงอุณหภูมิการทำงานทั่วไปที่หลากหลาย ตัวเลือกความเสถียร และรูปแบบเอาต์พุตที่เข้ากันได้กับ CMOS/HCMOS/LVCMOS

ที่สำคัญ ตระกูล ASADV, ASDVD และ ASEDV ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการทำงานที่มีกระแสไฟต่ำ (รูปที่ 4) ฟังก์ชันเปิด/ปิดเอาต์พุตจะลดกระแสไฟเหลือเพียง 10 ไมโครแอมแปร์ (μA) เมื่อปิดใช้งาน มีเวลาเริ่มต้นสูงสุด 10 มิลลิวินาที (มิลลิวินาที)

รูปที่ 4: แสดงปริมาณการใช้กระแสไฟของ ASEDV เทียบกับแรงดันไฟฟ้าซึ่งเป็นเรื่องปกติของประสิทธิภาพของ SPXO ในตระกูลนี้ (วัดที่ 25°C ±3°C) (ที่มาของภาพ: Abracon)

SPXO ทั้งสามตระกูลมีการบริโภคกระแสไฟต่ำเป็นพิเศษ สำหรับ ASADV กระแสสูงสุด (วัดเป็นโหลด 15 pF ที่ 25°C) มีตั้งแต่ 1.0 มิลลิแอมแปร์ (mA) ที่ 1.25 MHz และแรงดันไฟจ่าย 1.8 โวลต์ ถึง 14.5 mA ที่ 81 MHz และแรงดันไฟที่จ่าย 3.3 โวลต์ สำหรับ ASDDV และ ASEDV กระแสสูงสุด มีตั้งแต่ 1.0 มิลลิแอมแปร์ (mA) ที่ 1 MHz และแรงดันไฟจ่าย 1.8 โวลต์ ถึง 19 mA ที่ 157 MHz และแรงดันไฟที่จ่าย 3.3 โวลต์ .

อุปกรณ์สามารถขับเคลื่อนโหลดได้หลายแบบและมีประสิทธิภาพการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่ดีและมีความแปรปรวนต่ำ มีการระบุไว้สำหรับ rms phase jitter ที่ <1.0 picosecond (ps) และ period jitter 7.0 ps สูงสุด

SPXO ยังให้ความเสถียรของความถี่ที่ดีตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานทั้งหมด (รูปที่ 5) ในการใช้งานจำนวนมาก ออสซิลเลเตอร์เหล่านี้สามารถใช้เป็นโซลูชันแบบดรอปอิน โดยต้องมีการออกแบบเพียงเล็กน้อย พวกเขายังขจัดความจำเป็นในการเลือกออสซิลเลเตอร์เฉพาะอคติและขจัดความแปรผันของความถี่ที่ขึ้นกับอคติ

รูปที่ 5: SPXO เหล่านี้มีเสถียรภาพความถี่ที่ดีในช่วงอุณหภูมิการทำงานทั้งหมด กราฟนี้สำหรับกลุ่ม ASEDV เป็นเรื่องปกติ (ที่มาของภาพ: Abracon)

สุดท้าย เมื่อการกระตุกและการสั่นสะเทือนไม่ใช่การพิจารณาที่สำคัญ แต่ ASADV, ASDVD และ ASEDV ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบติดตั้งบนพื้นผิวแรงดันต่อเนื่องสามารถใช้เพื่อเป็นทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่าสำหรับออสซิลเลเตอร์ระบบไมโครไฟฟ้า (MEMS)

สรุป

นักออกแบบต้องการออสซิลเลเตอร์ที่แม่นยำและเชื่อถือได้เพื่อให้จังหวะเวลาคงที่ในการใช้งานและอุณหภูมิการทำงานที่หลากหลาย ออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยคริสตัลแบบแยกส่วนสามารถบรรลุลักษณะการทำงานที่ต้องการ แต่การออกแบบอย่างมีประสิทธิภาพด้วยคริสตัลอาจเป็นเรื่องยากทางเทคนิค ใช้เวลานาน มีค่าใช้จ่ายสูงโดยไม่จำเป็น และต่ำกว่าที่เหมาะสมเมื่อเทียบกับปัจจัยทางด้านรูปแบบ

ดังที่แสดงไว้ นักออกแบบสามารถใช้ SPXO แบบบูรณาการที่ใช้พลังงานต่ำแทนซึ่งสร้างโซลูชันการจับเวลาแบบดรอปอินที่มีความเสถียรของความถี่ที่ดีในช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง เมื่อใช้ SPXO นักออกแบบสามารถลดจำนวนส่วนประกอบ ลดขนาดโซลูชัน ลดต้นทุนการประกอบ และปรับปรุงความน่าเชื่อถือ

การอ่านที่แนะนำ

วิธีการเลือกและใช้ Oscillator อย่างมีประสิทธิภาพ