Wie mit SPXOs auf einfache und kostengünstige Weise die Timing-Anforderungen von stromsparenden Schaltungen erfüllt werden können

Die Schaltungstaktung ist eine kritische Funktion, die in einer Vielzahl elektronischer Komponenten erforderlich ist, darunter Mikrocontroller, USB-, Ethernet-, Wi-Fi- und Bluetooth-Schnittstellen sowie Computergeräte und Peripheriegeräte, medizinische Geräte, Test- und Messgeräte, industrielle Steuerung und Automatisierung, das Internet der Dinge (IoT), Wearables und Unterhaltungselektronik. Die Entwicklung von quarzgesteuerten Oszillatoren zur Bereitstellung von Systemtiming scheint auf den ersten Blick eine einfache Aufgabe zu sein, aber die Entwickler müssen zahlreiche Parameter und Designanforderungen berücksichtigen, wenn sie einen Quarz an einen Oszillator-IC anpassen.

Zu den zahlreichen Überlegungen gehören die Bewegungsimpedanz des Quarzes, der Resonanzmodus, der Ansteuerungspegel und der negative Widerstand des Oszillators. Beim Schaltungslayout muss der Designer die parasitäre Kapazität der Leiterplatte, die Einbeziehung eines Schutzbandes um den Quarz und die integrierte Kapazität auf dem Chip berücksichtigen. Das endgültige Design muss kompakt und zuverlässig sein, eine minimale Anzahl von Komponenten aufweisen, einen geringen Effektivwert-Jitter haben und über einen großen Eingangsspannungsbereich mit minimalem Stromverbrauch arbeiten können.

Eine Lösung besteht darin, einfache Quarzoszillatoren zu verwenden (SPXOs). Optimiert für niedrigen Stromverbrauch und geringen Effektivwert-Jitter sowie den Betrieb bei jeder Spannung zwischen 1,60 und 3,60 Volt, ermöglichen diese Konstantspannungs-Oszillatoren den Entwicklern die Implementierung von Lösungen, die nur einen minimalen Entwicklungsaufwand für die Integration in Systeme erfordern.

In diesem Artikel werden kurz einige der wichtigen Leistungsanforderungen und Design-Herausforderungen erörtert, die erfüllt werden müssen, um Timing-Schaltungen mit diskreten Quarzen und Timing-ICs erfolgreich zu entwickeln. Anschließend werden die SPXO-Lösungen von Abracon vorgestellt und es wird gezeigt, wie Entwickler sie einsetzen können, um die Timing-Anforderungen elektronischer Systeme effektiv und effizient zu erfüllen.

Betrieb von Quarzoszillatoren und Herausforderungen bei der Entwicklung

Der Stromverbrauch ist ein wichtiger Faktor bei kleinen, batteriebetriebenen drahtlosen Geräten. Viele dieser Geräte basieren auf SoC-Funkkomponenten (System-on-Chip) und Prozessoren mit sehr geringem Stromverbrauch, die eine mehrjährige Batterielaufzeit ermöglichen. Auch die Minimierung der Größe der Batterie ist wichtig, um die Kosten des Geräts zu kontrollieren, da die Batterie die teuerste Komponente des Systems sein kann. Der Standby-Strom in kleinen drahtlosen Systemen ist oft der wichtigste Faktor für die Batterielebensdauer, und der Taktoszillator dominiert oft den Standby-Strom. Daher ist die Minimierung der Oszillatorstromaufnahme von entscheidender Bedeutung.

Leider kann die Entwicklung von Oszillatoren mit geringem Stromverbrauch eine Herausforderung sein. Eine Möglichkeit, Energie zu sparen, besteht darin, den Standby-Strom zu minimieren, indem der Oszillator in einen „deaktivierten“ Zustand versetzt und erst bei Bedarf eingeschaltet wird. Quarzoszillatoren lassen sich jedoch nicht einfach schnell und zuverlässig in Betrieb nehmen. Die Entwickler müssen darauf achten, dass der Oszillator im Standby-Betrieb nur wenig Strom verbraucht und unter allen Betriebs- und Umgebungsbedingungen zuverlässige Anlaufeigenschaften aufweist.

Die Pierce-Oszillatorkonfiguration wird häufig in drahtlosen stromsparenden SoCs verwendet (Abbildung 1). Ein Pierce-Oszillator besteht aus einem Quarz (X) und Lastkondensatoren (C₁ und C₂), die von einem invertierenden Verstärker mit einem internen Rückkopplungswiderstand umschlossen werden. Wenn der Ausgang des Verstärkers unter den richtigen Bedingungen in den Eingang zurückgeführt wird, ergibt sich ein negativer Widerstand und eine Schwingung tritt auf.

Abbildung 1: Grundkonfiguration eines Pierce-Oszillators mit einem Quarz (X) und den Lastkondensatoren C₁ und C₂. (Bildquelle: Abracon)

Kristalle sind komplexe Strukturen; diese Diskussion bietet lediglich einen vereinfachten Überblick über ihre Funktionsweise in Oszillatoren.

Die Verstärkungsspanne im geschlossenen Regelkreis, Gm, kann als Kennzahl für die Zuverlässigkeit eines Oszillators in Bezug auf verschiedene Verluste verwendet werden. Sie wird auch als Oszillationsbreite (OA) bezeichnet. Ein OA-Wert unter 5 kann zu geringen Produktionserträgen und temperaturbedingten Anlaufproblemen führen. Designs mit einer OA von 20 oder mehr sind robust, bieten einen zuverlässigen Betrieb über den vorgesehenen Betriebstemperaturbereich und sind unempfindlich gegenüber Schwankungen der Produktionschargen in Bezug auf die Leistungsmerkmale von Quarz und SoC.

Um den OA eines Oszillators zu messen, wird ein variabler Widerstand R_a in die Schaltung eingefügt (Abbildung 2). Der Wert von R_a wird so lange erhöht, bis der Oszillator nicht mehr starten kann. Dieser Wert wird verwendet, um OA wie folgt zu bestimmen:

 Gleichung 1

Dabei gilt:

R_n ist der negative Widerstand

R_e ist der äquivalente Serienwiderstand (ESR)

 Gleichung 2

 Gleichung 3

Die Lastkapazität, C_L, wird wie folgt berechnet:

 Gleichung 4

Dabei ist Cs die Leitungskapazität des Stromkreises, in der Regel 3,0 bis 5,0 Pikofarad (pF).

Abbildung 2: Pierce-Oszillator mit dem erweiterten Kristallmodell (im Kasten in der Mitte) und dem einstellbaren Widerstand (R_a) zur Messung der Schwingungsbreite. (Bildquelle: Abracon)

OA ist abhängig vom ESR (R_e), und der ESR ist abhängig vom Quarzkristallparameter R_m und der Lastkapazität C_L. Der Einfluss von R_m und C_L auf OA erhöht sich bei Oszillatoren mit geringer Leistungsaufnahme, wie sie in drahtlosen Geräten mit geringer Leistung verwendet werden. Die Messung von OA braucht Zeit und kann den Entwicklungsprozess scheinbar verlängern. Dies kann dazu führen, dass sie übergangen wird und Leistungsprobleme verursacht, wenn das System oder Gerät in die Produktion geht.

Außerdem kann die Einstellung eines hohen OA, um einen zuverlässigen Oszillatorbetrieb zu gewährleisten, zu anderen Problemen führen. So führt beispielsweise ein hoher OA-Wert zu einer hohen Performance des Oszillatorschaltkreises, aber die durch den Quarz verursachten Leistungsverluste können übersehen werden. Diese Verluste können ein bedeutender Faktor sein. Zurück zu Abbildung 2: Der Bewegungswiderstand des Quarzes, R_m, verursacht eine Verlustleistung, wenn der Strom durch den Widerstand fließt. Der Strom und die Verluste steigen, wenn C_L größer ist. Die Entwickler müssen ein Gleichgewicht zwischen den Leistungsverlusten im Kristall und einem angemessenen Wert für OA finden.

Vermeiden von Jitter

Bei der Entwicklung von Quarzoszillatoren ist es wichtig, Jitter zu verstehen und zu minimieren. Es gibt zwei Arten von Jitter, die beide in der Regel als Effektivwerte gemessen werden:

• Zyklus-zu-Zyklus-Jitter: Auch Phasenjitter genannt, ist die maximale Zeitdifferenz zwischen mehreren gemessenen Schwingungsperioden, die normalerweise über mindestens 10 Perioden gemessen wird.
• Perioden-Jitter: Dies ist die maximale Änderung einer Taktflanke und wird bei jeder Periode gemessen, jedoch nicht bei mehreren Perioden.

Zu den Hauptursachen für Jitter in Quarzkristalloszillatoren gehören das Rauschen der Stromversorgung, ganzzahlige Oberschwingungen der Signalfrequenz, ungeeignete Last- und Abschlussbedingungen, Verstärkerrauschen und bestimmte Schaltungskonfigurationen. Je nach Quelle gibt es verschiedene Methoden, um Jitter zu minimieren:

• Verwendung von Bypass-Kondensatoren, Chip-Perlen oder RC-Filtern (Widerstand-Kondensator-Filter) zur Kontrolle des Rauschens in der Stromversorgung.
• Bei kritischen Anwendungen, die einen sehr geringen Jitter erfordern, ist es wichtig, eine Methode zur Kontrolle der Oberwellen zu entwickeln (was den Rahmen dieses Artikels sprengen würde).
• Reduzieren Sie die in den Ausgang reflektierte Leistung, indem Sie die Last- und Abschlussbedingungen optimieren.
• Vermeiden Sie Entwürfe mit Phasenregelkreisen, Multiplizierern oder programmierbaren Funktionen, da diese zu einem erhöhten Jitter führen können.

Konstantspannungs-Kristalloszillatoren

Entwickler von Systemen mit einer variierenden Systemvorspannung zwischen 1,60 und 3,60 Volt können von der Verwendung der ASADV-, ASDDV- und ASEDV-SPXOs von Abracon profitieren (Abbildung 3). Diese SPXO-Familien decken verschiedene Frequenzbereiche ab: 1,25 Megahertz (MHz) bis 100 MHz für die ASADV-Bausteine und 1 MHz bis 160 MHz für die ASDDV- und ASEDV-Bausteine. Sie entsprechen RoHS/RoHS II und werden in hermetisch gekapselten keramischen SMD-Gehäusen (SMD: Surface Mount Device, oberflächenmontierbare Komponenten) geliefert. Ihre Frequenzstabilität beträgt ±25 ppm (parts per million) über den Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C.

Abbildung 3: Die SPXOs der Serien ASADV (im Bild), ASDDV und ASEDV sind in hermetisch gekapselten Keramikgehäusen untergebracht und können bei Temperaturen von -40 °C bis +85 °C betrieben werden. (Bildquelle: Abracon)

Der ASADV misst 2,0 x 1,6 x 0,8 Millimeter (mm), der ASDDV misst 2,5 x 2,0 x 0,95 mm und der ASEDV misst 3,2 x 2,5 x 1,2 mm. Diese drei Serien sind mit einer Vielzahl von gängigen Betriebstemperaturbereichen, Stabilitätsoptionen und einem CMOS/HCMOS/LVCMOS-kompatiblen Ausgangsformat erhältlich.

Die ASADV-, ASDDV- und ASEDV-Familien sind für den Betrieb mit niedrigen Strömen optimiert (Abbildung 4). Die Funktion zur Aktivierung/Deaktivierung des Ausgangs reduziert den Strom bei Deaktivierung auf nur 10 Mikroampere (μA). Sie haben eine maximale Anlaufzeit von 10 Millisekunden (ms).

Abbildung 4: Dargestellt ist die Stromaufnahme des ASEDV in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, was typisch für die Leistung dieser SPXO-Familie ist (gemessen bei 25 °C ±3 °C). (Bildquelle: Abracon)

Alle drei SPXO-Familien bieten einen besonders niedrigen Stromverbrauch. Beim ASADV reicht der maximale Strom (gemessen an einer 15pF-Last bei 25 °C) von 1,0 Milliampere (mA) bei 1,25 MHz und einer Versorgungsspannung von 1,8 Volt bis 14,5 mA bei 81 MHz und einer Versorgungsspannung von 3,3 Volt. Bei den ASDDV und ASEDV reicht der maximale Strom von 1,0 mA bei 1 MHz und einer Versorgungsspannung von 1,8 Volt bis 19 mA bei 157 MHz und einer Versorgungsspannung von 3,3 Volt.

Die Bausteine können mehrere Lasten treiben und zeichnen sich durch eine gute Performance bei elektromagnetischer Interferenz (EMI) und geringen Jitter aus. Sie sind spezifiziert für einen effektiven Phasenjitter von <1,0 Pikosekunden (ps) und einen Periodenjitter von maximal 7,0 ps.

Die SPXOs bieten außerdem eine gute Frequenzstabilität über ihren gesamten Betriebstemperaturbereich (Abbildung 5). In vielen Anwendungen können diese Oszillatoren als direkte Ersatzlösungen eingesetzt werden, die nur wenig Entwicklungsarbeit erfordern. Außerdem erübrigt sich die Auswahl eines vorspannungsspezifischen Oszillators und die vorspannungsabhängigen Frequenzschwankungen werden beseitigt.

Abbildung 5: Diese SPXOs bieten eine gute Frequenzstabilität über den gesamten Betriebstemperaturbereich. Diese Grafik ist typisch für die ASEDV-Familie. (Bildquelle: Abracon)

Wenn Schock und Vibration keine kritischen Faktoren sind, können die Konstantspannungs-Quarzoszillatoren der Serie ASADV, ASDDV und ASEDV für die Oberflächenmontage als kostengünstige Alternative zu mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Oszillatoren) verwendet werden.

Fazit

Entwickler benötigen präzise und zuverlässige Oszillatoren, um ein stabiles Timing über einen breiten Bereich von Anwendungen und Betriebstemperaturen hinweg zu gewährleisten. Diskrete quarzgesteuerte Oszillatoren können die geforderten Leistungsmerkmale erfüllen, aber die Entwicklung mit Quarzen kann technisch schwierig, zeitaufwändig, unnötig kostspielig und im Hinblick auf den Formfaktor suboptimal sein.

Wie gezeigt, können Entwickler stattdessen integrierte, stromsparende SPXOs verwenden, die einen Direktersatz als Timing-Lösungen mit guter Frequenzstabilität über einen weiten Betriebstemperaturbereich bilden. Mit SPXOs können Entwickler die Anzahl der Komponenten reduzieren, die Größe der Lösung verringern, die Montagekosten senken und die Zuverlässigkeit verbessern.

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