ทำความเข้าใจพารามิเตอร์ของคริสตัลออสซิลเลเตอร์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกส่วนประกอบ

คริสตัลออสซิลเลเตอร์ที่ทำจากควอตซ์เป็นส่วนประกอบหลักที่ทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดมีความแม่นยำและมีประสิทธิภาพในด้านความถี่/เวลา ดังนั้น ส่วนประกอบดังกล่าวจึงจำเป็นต้องมีความเที่ยงตรงและความแม่นยำเมื่อเวลาผ่านไป แน่นอนว่าออสซิลเลเตอร์ที่ "สมบูรณ์แบบ" นั้นมีอยู่แค่ในทฤษฎีเท่านั้น ดังนั้นปัญหาสำหรับผู้ออกแบบคือการหาออสซิลเลเตอร์ที่เหมาะสมเพื่อให้เป็นไปตามวัตถุประสงค์การออกแบบ ซึ่งนี่ไม่ใช่งานง่าย

เมื่อได้ระบุข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานแล้ว ผู้ออกแบบจำเป็นต้องค้นหาโซลูชันที่มีความสมดุลทั้งในด้านประสิทธิภาพ ต้นทุน ความเสถียร ขนาด กำลัง โครงสร้างทางกายภาพ และความสามารถในการขับเคลื่อนสำหรับวงจรที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นนักออกแบบจึงต้องเข้าใจหลักการทำงาน คุณสมบัติที่สำคัญ และวิวัฒนาการของออสซิลเลเตอร์ด้วย

บทความนี้จะให้ภาพรวมพื้นฐานของคริสตัลออสซิลเลเตอร์ ก่อนที่จะดูถึงมุมมองต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับโมดูลคริสตัลออสซิลเลเตอร์ประสิทธิภาพสูง จากนั้น ใช้อุปกรณ์ตัวแทนจาก ECS Inc.เพื่อทบทวนพื้นฐานของออสซิลเลเตอร์เหล่านี้สั้น ๆ ก่อนการระบุพารามิเตอร์ระดับบนสุดและระดับที่สอง พร้อมกับค่าพารามิเตอร์เหล่านี้ที่เป็นไปได้จริง นอกจากนี้ยังแสดงวิธีการจับคู่หน่วยต่าง ๆ กับความต้องการในการใช้งานทั่วไปในบางกรณีด้วย

คริสตัลออสซิลเลเตอร์ทำงานอย่างไร

คริสตัลออสซิลเลเตอร์เป็นหัวใจหลักของนาฬิกาสำหรับหน่วยประมวลผล เวลาบิตสำหรับการเชื่อมโยงข้อมูล เวลาการสุ่มตัวอย่างสำหรับการแปลงข้อมูล และความถี่หลักสำหรับจูนเนอร์และเครื่องสังเคราะห์ กล่าวได้ว่า องค์ประกอบควอตซ์ของคริสตัลออสซิลเลเตอร์ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบเรโซแนนท์ที่มี Q สูงมาก โดยอยู่ภายในเครือข่ายสัญญาณป้อนกลับของวงจรออสซิลเลเตอร์ (รูปที่ 1) เนื่องจากคริสตัลและออสซิลเลเตอร์นั้นมีความสำคัญ จึงได้มีการวิจัยและวิเคราะห์อย่างกว้างขวางในด้านฟิสิกส์พื้นฐานของวัสดุควอตซ์ รวมไปถึงประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและทางเครื่องกล และยังรวมไปถึงวงจรออสซิลเลเตอร์ต่าง ๆ อีกด้วย

รูปที่ 1: คริสตัลทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบเรโซแนนท์ที่มี Q สูง มีความเสถียร และมีความแม่นยำในวงจรป้อนกลับของวงจรออสซิลเลเตอร์โดยการใช้ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International, มีการแก้ไข)

เป็นเวลาหลายปีที่ผู้ใช้จะระบุความถี่ของคริสตัลและลักษณะสำคัญอื่น ๆ จากนั้นจึงจัดเตรียมวงจรออสซิลเลเตอร์แยกต่างหาก โดยใช้หลอดสุญญากาศ (ในช่วงแรก ๆ) จากนั้นจึงเปลี่ยนมาใช้ทรานซิสเตอร์ แล้วจึงเปลี่ยนมาเป็น IC ในที่สุด ซึ่งวงจรนี้มักจะเป็นการผสมผสานระหว่างการวิเคราะห์เชิงการออกแบบอย่างรอบคอบกับ "ศิลปะ" บางประการ และการตัดสินตามประสบการณ์ เนื่องจากมีรายละเอียดปลีกย่อยที่เกี่ยวข้องกันมากมาย โดยผู้ออกแบบจะพยายามรักษาสมดุลของปัจจัยเหล่านี้ให้ตรงกับประสิทธิภาพของออสซิลเลเตอร์กับ “ส่วนตัด” และลักษณะของผลึกควอตซ์ รวมถึงลำดับความสำคัญของการใช้งาน

ในปัจจุบัน การออกแบบคริสตัลออสซิลเลเตอร์แบบทำเอง (DIY) นั้นพบได้ค่อนข้างยาก เนื่องจากต้องใช้เวลาและความพยายามเพื่อให้การออกแบบเริ่มต้นนั้นถูกต้อง จากนั้นยังต้องมีการวัดประสิทธิภาพของออสซิลเลเตอร์อย่างเที่ยงตรงอีกด้วย ซึ่งมีความซับซ้อนและต้องใช้เครื่องมือวัดที่แม่นยำและต้องทำการติดตั้งอย่างรอบคอบ ดังนั้นสำหรับการใช้งานในหลากหลายกรณี ผู้ออกแบบสามารถซื้อโมดูลขนาดเล็กที่ปิดสนิท ซึ่งมีทั้งองค์ประกอบควอตซ์เช่นเดียวกับวงจรออสซิลเลเตอร์และตัวขับเอาต์พุต ซึ่งช่วยผ่อนแรงและลดเวลาในการออกแบบอย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่ผู้ใช้จะได้รับหน่วยที่มีลักษณะเฉพาะและแผ่นข้อมูลพร้อมข้อกำหนดที่มีการรับประกัน

หมายเหตุเกี่ยวกับคำศัพท์เฉพาะทาง: วิศวกรมักใช้คำว่า "คริสตัล" เมื่อพูดถึงวงจรคริสตัลออสซิลเลเตอร์ทั้งวงจร ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์และเหตุผลด้านอื่น ๆ ซึ่งโดยปกติแล้วจะไม่เป็นปัญหาเนื่องจากสามารถเข้าใจความหมายได้จากบริบท อย่างไรก็ตามบางครั้งอาจทำให้เกิดความสับสนได้ เนื่องจากคุณสามารถซื้อคริสตัลเป็นส่วนประกอบแยก จากนั้นจึงจัดหาวงจรออสซิลเลเตอร์แยกต่างหากได้ ทั้งนี้บทความนี้ใช้คำว่า "ออสซิลเลเตอร์" เพื่อกล่าวถึงคริสตัลกับวงจรออสซิลเลเตอร์เป็นโมดูลในตัว แทนที่จะกล่าวถึงวงจรออสซิลเลเตอร์เพียงอย่างเดียว

ลักษณะเฉพาะของคริสตัลออสซิลเลเตอร์

ชุดของพารามิเตอร์ระดับบนสุดเป็นสิ่งที่กำหนดประสิทธิภาพของคริสตัลออสซิลเลเตอร์ เช่นเดียวกับส่วนประกอบอื่น ๆ โดยพารามิเตอร์ระดับบนสุดตามลำดับความสำคัญโดยทั่วไป ได้แก่

ความถี่ในการทำงาน: โดยอาจอยู่ในช่วงตั้งแต่หลายสิบ Kilohertz (kHz) ถึงหลายร้อย Megahertz (MHz) ออสซิลเลเตอร์สำหรับความถี่ที่สูงกว่าที่ออสซิลเลเตอร์ทั่วไปจะสามารถไปถึงได้ เช่นในช่วง Gigahertz (GHz) มักใช้ลูปล็อคเฟส (PLL) เป็นตัวคูณความถี่เพื่อแปลงความถี่พื้นฐาน

ความเสถียรของความถี่: นี่เป็นปัจจัยหลักที่สองด้านประสิทธิภาพสำหรับออสซิลเลเตอร์ โดยเป็นการกำหนดค่าเบี่ยงเบนของความถี่เอาต์พุตจากค่าเดิมเนื่องด้วยปัจจัยภายนอก ดังนั้นยิ่งค่านี้น้อยเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น

ทั้งนี้มีปัจจัยภายนอกมากมายที่ส่งผลต่อความเสถียร ดังนั้นผู้จัดจำหน่ายจำนวนมากจะแจ้งปัจจัยเหล่านี้ทีละประการ เพื่อให้ผู้ออกแบบสามารถประเมินผลกระทบที่แท้จริงในการใช้งานได้ หนึ่งในบรรดาปัจจัยเหล่านี้คือการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิตามความถี่นอมินอลที่ 25⁰C ทั้งนี้ปัจจัยอื่น ๆ ได้แก่ ความเสถียรในระยะยาวเนื่องจาการเสื่อมสภาพ รวมไปถึงผลกระทบของการบัดกรี การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย และการเปลี่ยนแปลงโหลดเอาต์พุต สำหรับหน่วยประสิทธิภาพสูง มักจะมีลักษณะเป็นส่วนต่อล้านส่วน (ppm) หรือส่วนต่อพันล้านส่วน (ppb) ตามความถี่นอมินอลเอาต์พุต

สัญญาณรบกวนและจิตเตอร์ของเฟส: เป็นสองมุมมองซึ่งเกี่ยวกับประสิทธิภาพทั่วไปในระดับเดียวกัน สัญญาณรบกวนของเฟสเป็นลักษณะของสัญญาณรบกวนของนาฬิกาในโดเมนความถี่ ในขณะที่จิตเตอร์ของเฟสเป็นสัญญาณแบบเดียวกันกับในโดเมนเวลา (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: จิตเตอร์ในโดเมนเวลาและสัญญาณรบกวนของเฟสในโดเมนความถี่เป็นการตีความสองแบบที่ถูกต้องเท่าเทียมกันในเรื่องความไม่สมบูรณ์เดียวกัน ซึ่งมุมมองที่ต้องการเป็นฟังก์ชั่นของการใช้งาน (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International)

ผู้ออกแบบจะมุ่งเน้นไปที่ข้อผิดพลาดตามที่นิยามไว้ในโดเมนใดโดเมนหนึ่งเป็นหลัก โดยขึ้นอยู่กับการใช้งาน ทั้งนี้โดยทั่วไปแล้ว นิยามของสัญญาณรบกวนของเฟสคืออัตราส่วนของสัญญาณรบกวนในแบนด์วิธ 1Hertz (Hz) ที่ออฟเซ็ตความถี่ที่ระบุ f_m ต่อแอมพลิจูดของสัญญาณออสซิลเลเตอร์ที่ความถี่ f_O สัญญาณรบกวนของเฟสลดความเที่ยงตรง ความละเอียด และอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR) ในเครื่องสังเคราะห์ความถี่ (รูปที่ 3) ในขณะที่จิตเตอร์ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการจับเวลา จึงทำให้อัตราความผิดพลาดของบิต (BER) เพิ่มขึ้นในการเชื่อมโยงข้อมูล

รูปที่ 3: สัญญาณรบกวนของเฟสกระจายสเปกตรัมกำลังของออสซิลเลเตอร์ และเป็นผลเสียต่อความละเอียดและ SNR (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International)

จิตเตอร์ในการจับเวลาทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการสุ่มตัวอย่างเวลาในการแปลงอนาล็อก/ดิจิตอล จึงทำให้ยังมีผลต่อ SNR และการวิเคราะห์ความถี่การแปลง Fourier (FFT) ที่รวดเร็วในภายหลัง

อุปกรณ์ในตระกูล MultiVolt ของออสซิลเลเตอร์มาตรฐาน (MV) จาก ECS Inc. สามารถใช้งานได้โดยมีความคลาดเคลื่อนเพียง ±20ppm ในขณะที่ออสซิลเลเตอร์ความเสถียรสูง (SMV) มีความคลาดเคลื่อนต่ำเพียง ±5ppm เพื่อความเสถียรที่สูงขึ้น ขอเสนอ MultiVolt TCXOs ประสิทธิภาพ ±2.5ppm พร้อมเอาต์พุต HCMOS และ ±0.5ppm สำหรับเอาต์พุตคลื่นไซน์ที่ถูกตัด (ทั้ง TCXOs และคลื่นไซน์ที่ถูกตัดจะอธิบายเพิ่มเติมด้านล่าง)

สัญญาณรบกวน/จิตเตอร์ของเฟสเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการออกแบบที่มีประสิทธิภาพสูง ไม่ว่าจะเป็นโดเมนใด และต้องคำนึงถึงในงบประมาณในด้านข้อผิดพลาด ในขณะที่คำนึงถึงความต้องการของการใช้งานด้วย โปรดทราบว่ามีจิตเตอร์หลายประเภท เช่น จิตเตอร์สัมบูรณ์ จิตเตอร์รอบต่อรอบ จิตเตอร์ของเฟสแบบบูรณาการ จิตเตอร์ในระยะยาว และจิตเตอร์ตามระยะเวลา ทั้งนี้สัญญาณรบกวนของเฟสก็มีช่วงและประเภทการรวมที่แตกต่างกันเช่นกัน เช่น สัญญาณรบกวนสีขาวและสัญญาณรบกวน "สี" ต่าง ๆ

การทำความเข้าใจข้อมูลเฉพาะของทั้งจิตเตอร์และสัญญาณรบกวนของเฟสที่ออสซิลเลเตอร์และผลกระทบในการใช้งานนั้นมักเป็นเรื่องที่ท้าทาย การแปลงข้อกำหนดจากโดเมนหนึ่งไปยังอีกโดเมนหนึ่งนั้นเป็นเรื่องยาก โดยผู้ใช้ควรดูแผ่นข้อมูลแทน สิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งคือต้องเข้าใจคำจำกัดความที่ถูกต้องแต่แตกต่างกันของผู้จัดจำหน่ายรายต่าง ๆ ในการวัดประสิทธิภาพขณะพิจารณาถึงข้อผิดพลาดเหล่านี้ในงบประมาณโดยรวมในด้านข้อผิดพลาด

ประเภทสัญญาณและตัวขับเอาต์พุต: สิ่งเหล่านี้ต้องตรงกับโหลดที่เชื่อมต่อ (รูปที่ 4) โทโพโลยีตัวขับเอาต์พุตสองแบบ ได้แก่ แบบปลายเดี่ยวและแบบดิฟเฟอเรนเชียล

รูปที่ 4: รูปแบบเอาต์พุตที่แตกต่างกันและต้องเข้ากันได้กับการจัดเรียงโหลดออสซิลเลเตอร์ (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International)

ออสซิลเลเตอร์แบบปลายเดี่ยวนั้นง่ายต่อการใช้งาน แต่มีความไวต่อสัญญาณรบกวนมากกว่า และโดยทั่วไปแล้วเหมาะสมในหลักหลายร้อย Megahertz เท่านั้น ประเภทแบบปลายเดี่ยว ได้แก่

• TTL (ลอจิกทรานซิสเตอร์ไปยังทรานซิสเตอร์): 0.4 ถึง 2.4volts (ไม่นิยมใช้ในปัจจุบัน):
• CMOS (เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม): 0.5 ถึง 4.5volts
• HCMOS (CMOS ความเร็วสูง):              0.5 ถึง 4.5volts
• LVCMOS (CMOS แรงดันไฟฟ้าต่ำ):            0.5 ถึง 4.5volts

เอาต์พุตดิฟเฟอเรนเชียลนั้นออกแบบได้ยากกว่า แต่ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าในการใช้งานความถี่สูง เนื่องจากสัญญาณรบกวนที่พบได้ทั่วไปในดิฟเฟอเรนเชียลเทรซนั้นจะถูกหักล้างกันออกไป ซึ่งช่วยรักษาประสิทธิภาพของออสซิลเลเตอร์ตามที่เห็นได้จากวงจรโหลด ประเภทสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล ได้แก่

• PECL (เครื่องส่งสัญญาณบวกลอจิกคู่):            3.3 ถึง 4.0volts
• LVPECL (PECL แรงดันไฟฟ้าต่ำ);                            1.7 ถึง 2.4volts
• CML (ลอจิกโหมดกระแสไฟฟ้า):                             0.4 ถึง 1.2volts และ 2.6 ถึง 3.3volts
• LVDS (การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลแรงดันไฟฟ้าต่ำ):       1.0 ถึง 1.4volts
• HCSL (ลอจิกการนำทางกระแสไฟฟ้าความเร็วสูง):      0.0 ถึง 0.75volts

การเลือกประเภทสัญญาณจะพิจารณาจากลำดับความสำคัญของการใช้งานและวงจรที่เกี่ยวข้อง

โดยรูปคลื่นเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์อาจเป็นคลื่นไซน์ความถี่เดียวแบบทั่วไปหรือคลื่นไซน์ที่ถูกตัด (รูปที่ 5) คลื่นอะนาล็อกเป็นคลื่น "สะอาดที่สุด" และเสี่ยงต่อสัญญาณรบกวน/จิตเตอร์ของเฟสน้อยที่สุด เมื่อเทียบกับการใช้วงจรเปรียบเทียบเพื่อแปลงเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม เนื่องจากการแปลงดังกล่าวจะเป็นการเพิ่มสัญญาณรบกวน/จิตเตอร์ของเฟส และทำให้คุณภาพสัญญาณลดลง คลื่นไซน์ที่ถูกตัดสร้างเอาต์พุตเหมือนคลื่นสี่เหลี่ยมที่เข้ากันได้กับโหลดดิจิตอล โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพใด ๆ

รูปที่ 5: คลื่นไซน์ที่ถูกตัด ซึ่งใกล้เคียงกับคลื่นสี่เหลี่ยม แต่ยังคงลดจิตเตอร์หรือสัญญาณรบกวนของเฟสทั้งหมดให้เหลือน้อยที่สุด (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International)

แรงดันและกระแสไฟฟ้าที่จ่าย: ค่าดังกล่าวลดลงทั้งคู่ เพื่อตอบสนองต่อความต้องการของแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงในปัจจุบันและตอบสนองต่อระบบที่มักใช้ระบบแบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงาน ออสซิลเลเตอร์ซีรีส์ MultiVolt ส่วนใหญ่สามารถทำงานได้ด้วยแรงดันไฟฟ้า 1.8 โวลต์, 2.5 โวลต์, 3.0 โวลต์ และ 3.3 โวลต์

ขนาดแพ็คเกจ: แพ็คเกจออสซิลเลเตอร์ก็เล็กลงเช่นกัน เช่นเดียวกับที่แรงดันและกระแสไฟฟ้าที่ใช้งานนั้นลดลง อุตสาหกรรมมีขนาดมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ปลายเดี่ยว (ซึ่งใช้การเชื่อมต่อเพียงสี่จุด) ในขณะที่ออสซิลเลเตอร์แบบดิฟเฟอเรนเชียลมีการเชื่อมต่อหกจุด และใช้แพ็คเกจขนาดใหญ่ โดยมีขนาดดังนี้ในหน่วย Millimeters (mm):

1612: 1.6mm × 1.2mm

2016: 2.0mm × 1.6mm

2520: 2.5mm × 2.0mm

3225: 3.2mm × 2.5mm

5032: 5.0mm × 3.2mm

7050: 7.0mm × 5.0mm

ส่วนใหญ่เกี่ยวกับอุณหภูมิ

ปัจจัยภายนอกที่มีผลต่อและเปลี่ยนประสิทธิภาพของออสซิลเลเตอร์มากที่สุดคืออุณหภูมิ แม้ว่ากำลังการทำงานของออสซิลเลเตอร์จะอยู่ในระดับต่ำทำให้การทำความร้อนในตัวเองแทบไม่มีความสำคัญ แต่อุณหภูมิโดยรอบจะส่งผลต่อความถี่ในการทำงาน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ส่งผลต่อขนาดเชิงกลและความเค้นของผลึกควอตซ์ การตรวจสอบประสิทธิภาพของออสซิลเลเตอร์ที่เลือกในช่วงค่าปลายสุดของช่วงที่คาดนั้นเป็นสิ่งสำคัญ ช่วงเหล่านี้มักมีชื่อเรียกดังนี้:

• เชิงพาณิชย์ ยานยนต์ ระดับ 4:                   0 ถึง +70°C
• เชิงพาณิชย์ ขยายช่วงที่ใช้งานได้:                                   −20 ถึง +70°C
• เชิงพาณิชย์ ยานยนต์ ระดับ 3:                     −40 ถึง +85°C
• อุตสาหกรรม ยานยนต์ ระดับ 2 ขยายช่วงที่ใช้งานได้:     −40 ถึง +105°C
• ยานยนต์ ระดับ 1:                                      −40 ถึง +125°C
• การทหาร:                                                          −55 ถึง +125°C
• ยานยนต์ ระดับ 0:                                      -40 ถึง +150°C

สำหรับการออกแบบบางประการนั้น ไม่ใช่แค่ประสิทธิภาพในแต่ละอุณหภูมิเท่านั้นที่เป็นข้อพิจารณา แต่ยังต้องพิจารณาข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถืออื่น ๆ ด้วย ตัวอย่างเช่น ECS-2016MVQ เป็นออสซิลเลเตอร์ MultiVolt ขนาดเล็กแบบติดบนพื้นผิวและมีเอาต์พุตแบบ HCMOS สำหรับการดำเนินงาน 1.7 ถึง 3.6volts (รูปที่ 6) แพ็คเกจเซรามิกปี 2016 (2.0mm × 1.6mm ดูด้านบน) วัดได้สูง 0.85mm และออกแบบเพื่อการใช้งานในอุตสาหกรรมที่สภาวะรุนแรงกว่า และผ่านการรับรอง AEC-Q200 (ยานยนต์) ประเภทข้อกำหนดด้านอุณหภูมิระดับ 1 ซึ่งสามารถใช้ได้กับความถี่ตั้งแต่ 1.5 ถึง 54MHz ในความเสถียรของความถี่สี่ระดับตั้งแต่ ±20ppm ถึง ±100ppm ที่อุณหภูมิ -40°C ถึง + 85°C และจิตเตอร์ของเฟสต่ำมากเพียง 1picosecond (ps) โดยวัดจาก 12kHz ถึง 5MHz

รูปที่ 6: ภาพ ECS-2016MVQ มีสำหรับความถี่ตั้งแต่ 1.5 ถึง 54MHz และมีความเสถียรสี่ระดับตั้งแต่ ±20ppm ถึง ±100ppm (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International)

สำหรับการใช้งานที่ค่าคลาดเคลื่อนจากช่วงการทำงานจนยอมรับไม่ได้นั้นมีการใช้งานออสซิลเลเตอร์ขั้นสูงสองแบบ ได้แก่ คริสตัลออสซิลเลเตอร์ชดเชยอุณหภูมิ (TCXO) และคริสตัลออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยเตาอบ (OCXO) (โปรดทราบว่า XTAL เป็นตัวอักษรแทนคริสตัลในแผนผังหลายชนิดและ "X" ใช้เป็นตัวย่อสำหรับคำย่อนั้น) TCXO ใช้วงจรที่ใช้งานเพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงความถี่เอาต์พุตที่เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ในทางตรงกันข้าม ใน OCXO คริสตัลออสซิลเลเตอร์จะถูกวางไว้ในเตาอบที่มีฉนวนกันความร้อน ซึ่งได้ให้ความร้อนและคงไว้ที่อุณหภูมิคงที่ที่สูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด (เตาอบแบบใช้ความร้อนอย่างเดียวนั้นไม่สามารถทำให้เย็นลงจนต่ำกว่าสภาพแวดล้อมได้)

TCXO ต้องใช้วงจรเพิ่มเติมเมื่อเทียบกับออสซิลเลเตอร์พื้นฐาน แต่ใช้พลังงานน้อยกว่า OCXO คู่กับเตาอบ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วใช้กำลังหลายวัตต์เพื่อเปิดใช้งาน นอกจากนี้ TCXO ยังมีขนาดใหญ่กว่าหน่วยที่ไม่ได้รับการชดเชยเพียงเล็กน้อย และมีขนาดเล็กกว่า OCXO มาก โดยทั่วไปแล้ว TCXO จะแสดงถึงการปรับปรุงความคลาดเคลื่อนระหว่าง 10 ถึง 40 เท่า เมื่อเทียบกับหน่วยที่ไม่มีการควบคุม ในขณะที่ OXCO อาจมีประสิทธิภาพการคลาดเคลื่อนที่ดีขึ้นในหลักร้อยเท่า แต่ต้องแลกกับขนาดเครื่องที่ใหญ่ขึ้นและต้องใช้กำลังมากขึ้น

ECS-TXO-32CSMV เป็น TCXO ที่ติดบนพื้นผิวคลื่นไซน์ที่มีความสามารถ MultiVolt (แหล่งจ่าย 1.7 ถึง 3.465volts) สำหรับความถี่ระหว่าง 10 ถึง 52MHz (รูปที่ 7) แพ็คเกจเซรามิกแบบสูง 3.2 × 2.5 × 1.2mm เหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานแบบพกพาและไร้สาย ในกรณีที่ความเสถียรเป็นสิ่งสำคัญ ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญแสดงให้เห็นถึงความเสถียรที่สูงมาก เมื่อเทียบกับอุณหภูมิ การเปลี่ยนแหล่งจ่าย การเปลี่ยนโหลด และการเสื่อมสภาพ พร้อมกับความต้องการกระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 2mA (ตารางที่ 1)

รูปที่ 7: ECS-TXO-32CSMV เป็นคริสตัลออสซิลเลเตอร์เอาต์พุตแบบคลื่นไซน์ที่ถูกตัด ซึ่งได้รวมวงจรชดเชยภายในไว้ เพื่อเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพความเสถียรได้อย่างดี (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International)

ตารางที่ 1: ข้อมูลจำเพาะของ ECS-TXO-32CSMV TXCO ที่ชดเชยอุณหภูมิแสดงให้เห็นว่าการชดเชยภายในช่วยเพิ่มประสิทธิภาพความเสถียรได้อย่างไร แม้จะมีสิ่งรบกวนภายนอกเกิดขึ้นก็ตาม (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International)

การทำงานที่ใช้พลังงานต่ำ: มักจะเป็นสิ่งสำคัญ

แม้จะมีแนวโน้มไปสู่นาฬิกาหน่วยประมวลผลความถี่และอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ แต่ก็ยังมีความต้องการคริสตัลออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำเป็นปริมาณมาก เพื่อใช้ในการกำหนดเวลาในการใช้งานที่ใช้กำลังต่ำมาก ตัวอย่างเช่น ECS-327MVATX เป็นออสซิลเลเตอร์ขนาดเล็กแบบติดพื้นผิวที่ทำงานที่ความถี่คงที่ 32.768kHz พร้อมความสามารถ MultiVolt (1.6 ถึง 3.6volts) อุปกรณ์นี้ใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 200microamps (µA) และมีเอาต์พุต CMOS แบบปลายเดี่ยว จึงเหมาะสำหรับการใช้งานนาฬิกาแบบเรียลไทม์ (RTC) การใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำ/พกพาง่าย การใช้งานในเชิงอุตสาหกรรม และการใช้งานสำหรับ Internet of Things (IoT) โดยอุปกรณ์นี้มีจำหน่ายในขนาดแพ็คเกจ 7050 ในปี 2016 โดยมีความเสถียรของความถี่ตั้งแต่ ±20ppm ไปจนถึงช่วงค่อนข้างกว้างที่ ±100ppm ในช่วงอุณหภูมิ -40⁰C ถึง +85⁰C โดยขึ้นอยู่กับรุ่น

ออสซิลเลเตอร์จำนวนมากยังมีฟังก์ชั่นเปิด/ปิดการใช้งานอีกด้วย เพื่อลดการใช้พลังงานโดยเฉลี่ย ตัวอย่างเช่น ECS-5032MV เป็นออสซิลเลเตอร์แบบติดพื้นผิว 125MHz ที่มีความสามารถในการทำงานแบบ MultiVolt ตั้งแต่ 1.6 ถึง 3.6volts และเอาต์พุต CMOS ซึ่งมีอยู่ในแพ็คเกจเซรามิก 5032 (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: ECS-5032MV เป็นออสซิลเลเตอร์แบบติดพื้นผิว 125MHz พร้อมฟังก์ชั่นเปิด/ปิดที่สามารถช่วยประหยัดพลังงานได้ (แหล่งที่มาของภาพ: ECS Inc. International)

จุดสัมผัสหนึ่งจากจุดสัมผัสสี่จุดของอุปกรณ์ดังกล่าวช่วยให้ออสซิลเลเตอร์เข้าสู่โหมดสแตนด์บาย จึงลดกระแสที่ต้องการจากค่าแอคทีฟ 35mA เหลือเพียงกระแสสแตนด์บาย 10microamperes (µA) เวลาเปิดเครื่องคือ 5milliseconds (ms) หลังจากเปิดใช้งานหน่วยอีกครั้ง

การจับคู่ข้อมูลจำเพาะกับการใช้งาน

การตัดสินใจเลือกคริสตัลออสซิลเลเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานนั้นเป็นไปตามคาด โดยเป็นไปตามความสมดุลของข้อกำหนด ลำดับความสำคัญ ต้นทุน และน้ำหนักโดยสัมพัทธ์ ซึ่งเป็นมากกว่าเพียงแค่การพิจารณาเลือกหน่วยที่ชเห็นได้อย่างชัดเจนด้วยความถี่นอมินอล ความเสถียรของความถี่ จิตเตอร์/สัญญาณรบกวนของเฟส และคุณลักษณะอื่น ๆ สำหรับออสซิลเลเตอร์แบบสแตนด์อโลนที่ระบุ ผู้ใช้จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวขับเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์เข้ากันได้กับโหลดและระบบที่เกี่ยวข้อง เพื่อให้การจับคู่นั้นไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง แม้ว่าจะมีข้อควรพิจารณามากมาย แต่ก็มีแนวทางทั่วไปบางประการ ดังนี้

• เอาต์พุต LVDS ต้องมีตัวต้านทานเพียงตัวเดียวที่เครื่องรับ ในขณะที่ LVPECL ต้องมีส่วนปลายที่ทั้งเครื่องส่งและเครื่องรับ
• LVDS, LVPECL และ HCSL มีการเปลี่ยนที่เร็วกว่า CMOS แต่ต้องใช้กำลังมากกว่า และเหมาะสำหรับการออกแบบที่มีความถี่สูง
• สำหรับการใช้งานที่ความถี่สูงกว่า 150MHz นั้น CMOS หรือ LVDS เป็นตัวเลือกที่ใช้กำลังน้อยที่สุด
• LVPECL, LVDS และ CMOS ให้ประสิทธิภาพจิตเตอร์ที่ดีที่สุดที่ความถี่ต่ำ

สรุป

คริสตัลออสซิลเลเตอร์จากควอตซ์นั้นเป็นหัวใจสำคัญของวงจรและระบบต่าง ๆ การตรวจสอบให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของฟังก์ชั่นนี้ตรงกับความต้องการในการใช้งานนั้นจำเป็นต้องมีการปรับสมดุลระหว่างพารามิเตอร์หลักอย่างระมัดระวัง โดยเริ่มจากความเที่ยงตรงของความถี่นอมินอล ความเสถียรเทียบกับอุณหภูมิ และปัจจัยอื่น ๆ เช่นจิตเตอร์และสัญญาณรบกวนของเฟส นอกจากนี้ยังต้องจับคู่รูปแบบตัวขับเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์เข้ากับลักษณะของวงจรโหลดอีกด้วย คริสตัลออสซิลเลเตอร์ในตระกูล ECS MultiVolt นำเสนอประสิทธิภาพที่เหนือกว่าด้วยการผสมผสานข้อมูลจำเพาะในโมดูลที่สมบูรณ์และใช้งานง่าย