Verstehen der Parameter von Quarzoszillatoren zur Optimierung der Komponentenauswahl

Quarzbasierte Oszillatoren sind die Kernkomponente, die für die Frequenz-/Zeitgenauigkeit und Leistung in fast allen elektronischen Schaltungen verantwortlich ist. Als solche müssen sie über lange Zeit genau und präzise sein. Natürlich existiert der „perfekte“ Oszillator nur in der Theorie, so dass das Problem für die Entwickler darin besteht, den richtigen Oszillator zu finden, um die Designziele zu erreichen. Dies ist keine leichte Aufgabe.

Sobald die Leistungsanforderungen für die Anwendung festgelegt sind, müssen die Entwickler die Lösung mit der richtigen Balance zwischen Leistung, Kosten, Stabilität, Größe, Stromverbrauch, physikalischem Aufbau und Ansteuerungsmöglichkeiten für die zugehörige Schaltung finden. Dazu müssen sie die Funktionsprinzipien von Oszillatoren, die wichtigsten Merkmale und deren Entwicklung verstehen.

In diesem Artikel wird ein Überblick über die Grundlagen von Quarzoszillatoren gegeben, bevor verschiedene Perspektiven im Zusammenhang mit Hochleistungs-Quarzoszillatormodulen betrachtet werden. Anschließend werden anhand repräsentativer Komponenten von ECS Inc. kurz die Grundlagen dieser Oszillatoren besprochen, bevor die Parameter der ersten und zweiten Prioritätsebene identifiziert werden, zusammen mit einigen realistischen Werten für diese Parameter. Außerdem wird gezeigt, wie die verschiedenen Komponenten auf den Bedarf einiger typischer Anwendungen abgestimmt sind.

Funktionsweise von Quarzoszillatoren

Quarzoszillatoren liefern den Takt für Prozessoren, das Bit-Timing für Datenverbindungen, die Abtastzeit für Datenkonvertierungen und die Masterfrequenz in Tunern und Synthesizern. Vereinfacht ausgedrückt wirkt das Quarzelement des Kristalloszillators als qualitativ extrem hochwertiges Resonanzelement innerhalb des Rückkopplungsnetzwerks eines Oszillatorkreises (Abbildung 1). Aufgrund der Bedeutung der Quarze und ihrer Oszillatoren wurden die physikalischen Grundlagen des Quarzmaterials sowie sein elektrisches und mechanisches Verhalten, zusammen mit den verschiedenen Oszillatorschaltungen, ausgiebig erforscht und analysiert.

Abbildung 1: Unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts fungiert ein Kristall als qualitativ hochwertiges, stabiles und präzises Resonanzelement in der Rückkopplungsschleife eines Oszillatorkreises. (Bildquelle: ECS Inc. International, modifiziert)

Viele Jahre lang spezifizierten die Anwender die Frequenz des Quarzes und andere Schlüsseleigenschaften und stellten dann ihre eigene separate Oszillatorschaltung bereit, wobei sie zunächst Vakuumröhren, dann Transistoren und schließlich ICs verwendeten. Diese Schaltung war in der Regel eine Kombination aus sorgfältiger Designanalyse sowie etwas „Kunst“ und erfahrungsbasiertem Urteilsvermögen, da es viele zusammenhängende Feinheiten gab. Der Entwickler würde versuchen, diese Faktoren auszugleichen, um die Oszillatorleistung an den „Schliff“ und die Eigenschaften des Quarzes sowie an die Prioritäten der Anwendung anzupassen.

Heutzutage sind solche selbstentworfenen Kristalloszillatordesigns relativ selten, weil es Zeit und Mühe kostet, das erste Design richtig hinzubekommen. Dann gibt es noch die genaue Messung der Performance eines Oszillators. Dies ist komplex und erfordert eine präzise Instrumentierung und einen sorgfältigen Aufbau. Stattdessen können Entwickler für viele Anwendungen ein winziges, vollständig geschlossenes Modul erwerben, das sowohl das Quarzelement als auch die Oszillatorschaltung und deren Ausgangstreiber enthält. Dies reduziert natürlich den Entwicklungsaufwand und die Zeit, während der Anwender ein vollständig charakterisiertes Gerät und ein Datenblatt mit garantierten Spezifikationen erhält.

Eine Anmerkung zur Terminologie: Aus historischen und anderen Gründen verwenden Ingenieure oft das Wort „Quarz“, wenn sie eigentlich die gesamte Quarzoszillatorschaltung meinen. Dies ist normalerweise kein Problem, da die beabsichtigte Bedeutung aus dem Kontext ersichtlich ist. Es kann jedoch manchmal zu Verwirrung führen, da es immer noch möglich ist, einen Quarz als eigenständige Komponente zu kaufen und dann eine separate Oszillatorschaltung vorzusehen. In diesem Artikel wird das Wort „Oszillator“ verwendet, um sich auf den Quarz plus seine Oszillatorschaltung als eigenständiges Modul zu beziehen und nicht nur auf die Oszillatorschaltung allein.

Charakterisierung von Quarzoszillatoren

Wie bei jeder Komponente wird die Performance des Quarzoszillators zunächst durch eine Reihe von Parametern oberster Priorität definiert. In der allgemeinen Reihenfolge ihrer Bedeutung sind dies:

Betriebsfrequenz: Diese kann von einigen zehn Kilohertz (kHz) bis zu Hunderten von Megahertz (MHz) reichen. Oszillatoren für Frequenzen oberhalb der Grundreichweite eines Oszillators, z. B. bis in den Gigahertz(GHz)-Bereich, verwenden in der Regel einen Phasenregelkreis (PLL) als Frequenzvervielfacher, um die Grundfrequenz hochzuwandeln.

Frequenzstabilität: Dies ist der zweite wichtige Leistungsfaktor für Oszillatoren. Sie definiert die Abweichung der Ausgangsfrequenz von ihrem ursprünglichen Wert aufgrund äußerer Bedingungen; je kleiner diese Zahl also ist, desto besser.

Es gibt viele äußere Bedingungen, die sich auf die Stabilität auswirken, und viele Hersteller nennen sie einzeln, damit der Entwickler die tatsächlichen Auswirkungen in den Anwendungen beurteilen kann. Zu diesen Faktoren gehören temperaturbedingte Schwankungen in Bezug auf die Nennfrequenz bei 25 ⁰C; weitere Faktoren sind die Langzeitstabilität aufgrund von Alterung sowie die Auswirkungen von Lötarbeiten, Versorgungsspannungsschwankungen und Änderungen der Ausgangslast. Bei Hochleistungsbauteilen wird sie üblicherweise in Teilen pro Million (ppm) oder Teilen pro Milliarde (ppb) angegeben, bezogen auf die Nennausgangsfrequenz.

Phasenrauschen und Jitter: Dies sind zwei Perspektiven auf dieselbe allgemeine Performance. Das Phasenrauschen charakterisiert das Taktrauschen im Frequenzbereich, während der Jitter dies im Zeitbereich tut (Abbildung 2).

Abbildung 2: Jitter im Zeitbereich und Phasenrauschen im Frequenzbereich sind zwei gleichwertige Interpretationen der gleichen Unzulänglichkeiten. Die bevorzugte Ansicht ist eine Funktion der Anwendung. (Bildquelle: ECS Inc. International)

Je nach Anwendung wird sich der Entwickler in erster Linie auf Fehler konzentrieren, die in der einen oder anderen Domäne definiert sind. Das Phasenrauschen wird üblicherweise als das Verhältnis des Rauschens in einer Bandbreite von 1 Hertz (Hz) bei einem bestimmten Frequenzoffset, f_m, zur Oszillatorsignalamplitude bei der Frequenz f_O definiert. Phasenrauschen verschlechtert die Genauigkeit, Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in Frequenzsynthesizern (Abbildung 3), während Jitter Timing-Fehler verursacht und somit zu einer erhöhten Bitfehlerrate (BER) in Datenverbindungen beiträgt.

Abbildung 3: Phasenrauschen spreizt das Leistungsspektrum des Oszillators und wirkt sich nachteilig auf Auflösung und SNR aus. (Bildquelle: ECS Inc. International)

Timing-Jitter verursacht Abtastzeitfehler bei Analog/Digital-Wandlungen und wirkt sich somit auch auf das SNR und die anschließende Fast-Fourier-Transformation (FFT) der Frequenzanalyse aus.

Die Standard-Oszillatoren der MultiVolt-Familie (MV) von ECS Inc. sind mit Stabilitäten von bis zu ±20 ppm erhältlich, während die hochstabilen Komponenten (SMV) Stabilitäten von bis zu ±5 ppm bieten. Für eine noch höhere Stabilität bieten die MultiVolt-TCXOs eine Leistung von ±2,5 ppm bei HCMOS-Ausgängen und ±0,5 ppm bei geclippten Sinuswellenausgängen (sowohl TCXOs als auch geclippte Sinuswellen werden weiter unten erklärt).

Unabhängig von der Domäne ist das Phasenrauschen/der Jitter ein wichtiger Faktor für Hochleistungsdesigns und muss im Fehlerbudget berücksichtigt werden, wobei die Bedürfnisse der Anwendung im Auge behalten werden müssen. Beachten Sie, dass es viele Arten von Jitter gibt, darunter absoluter Jitter, Zyklus-zu-Zyklus-Jitter, integrierter Phasenjitter, Langzeitjitter und Periodenjitter; für das Phasenrauschen gibt es ebenfalls verschiedene Integrationsbereiche und -arten, darunter weißes Rauschen und verschiedene Rausch-„Farben“.

Das Verständnis der Besonderheiten von Jitter und Phasenrauschen am Oszillator und der Auswirkungen in der Anwendung kann oft eine Herausforderung sein. Es ist schwierig, eine Spezifikation von einer Domäne in die andere umzuwandeln; stattdessen sollte der Anwender das Datenblatt heranziehen. Es ist auch wichtig, die legitimen, aber unterschiedlichen Definitionen der Anbieter zur Quantifizierung der Leistung zu verstehen, wenn diese Fehler im Gesamtfehlerbudget berücksichtigt werden.

Art des Ausgangssignals und Ansteuerung: Diese müssen an die angeschlossene Last angepasst werden (Abbildung 4). Die beiden Topologien zur Ansteuerung sind der referenzbezogene und der Differenzbetrieb.

Abbildung 4: Es stehen verschiedene Ausgangsformate zur Verfügung, die mit der Konfiguration der Oszillatorlast kompatibel sein müssen. (Bildquelle: ECS Inc. International)

Referenzbezogene Oszillatoren sind einfacher zu implementieren, sind aber empfindlicher gegenüber Rauschen und typischerweise nur bis zu einigen hundert Megahertz besser geeignet. Zu den referenzbezogenen Ausgangstypen gehören:

• TTL (Transistor-Transistor-Logik): 0,4 bis 2,4 Volt (wird nur noch selten verwendet)
• CMOS (Komplementärer Metalloxidhalbleiter): 0,5 bis 4,5 Volt
• HCMOS (Highspeed-CMOS): 0,5 bis 4,5 Volt
• LVCMOS (Niederspannungs-CMOS): 0,5 bis 4,5 Volt

Differenzausgänge sind schwieriger für den Schaltungsentwurf, bieten aber eine bessere Leistung bei Hochfrequenzanwendungen, da sich das Rauschen, das den differenziellen Leiterbahnen gemeinsam ist, auslöscht. Dadurch wird die Performance des Oszillators aus Sicht des Lastkreises beibehalten. Zu den Differenzsignaltypen gehören:

• PECL (positive emittergekoppelte Logik): 3,3 bis 4,0 Volt
• LVPECL (Niederspannungs-PECL): 1,7 bis 2,4 Volt
• CML (strombasierte Logik): 0,4 bis 1,2 Volt und 2,6 bis 3,3 Volt
• LVDS (Niederspannungs-Differenzsignale): 1,0 bis 1,4 Volt
• HCSL (Highspeed-Stromsteuerungslogik): 0,0 bis 0,75 Volt

Die Wahl des Signaltyps wird durch die Prioritäten der Anwendung und die zugehörige Schaltung bestimmt.

Die Ausgangswellenform des Oszillators kann eine klassische einfrequente Sinuswelle oder eine geclippte (beschnittene) Sinuswelle sein (Abbildung 5). Die analoge Welle ist die „sauberste“ und am wenigsten anfällig für Jitter/Phasenrauschen, im Gegensatz zur Verwendung einer Komparatorschaltung zur Umwandlung in eine Rechteckwelle, da dies Jitter/Phasenrauschen hinzufügt und somit das Ergebnis verschlechtert. Die geclippte Sinuswelle erzeugt einen rechteckwellenähnlichen Ausgang, der mit digitalen Lasten kompatibel ist, ohne dass die Performance beeinträchtigt wird.

Abbildung 5: Die geclippte Sinuswelle nähert sich einer Rechteckwelle an und minimiert dabei zusätzlichen Jitter oder Phasenrauschen. (Bildquelle: ECS Inc. International)

Versorgungsspannung und -strom: Beide haben sich verringert, um den Anforderungen der heutigen Systeme mit niedrigerer Spannung und häufig batteriebetriebenen Systemen gerecht zu werden. Die meisten Oszillatoren der MultiVolt-Serie können mit Versorgungsspannungen von 1,8 Volt, 2,5 Volt, 3,0 Volt und 3,3 Volt betrieben werden.

Gehäusegröße: Genau wie bei der Betriebsspannung und dem Strom sind auch die Gehäuse der Oszillatoren kleiner geworden. Die Industrie hat einige standardisierte Größen für referenzbezogene Komponenten (die nur vier Anschlüsse benötigen), während Differenz-Oszillatoren sechs Kontakte haben und die größeren Gehäuse verwenden, wobei die Abmessungen hier in Millimetern (mm) angegeben sind:

1612: 1,6 mm × 1,2 mm

2016: 2,0 mm × 1,6 mm

2520: 2,5 mm × 2,0 mm

3225: 3,2 mm × 2,5 mm

5032: 5,0 mm × 3,2 mm

7050: 7,0 mm × 5,0 mm

Es geht hauptsächlich um die Temperatur

Der größte externe Faktor, der die Leistung des Oszillators beeinflusst und verschiebt, ist die Temperatur. Auch wenn die Betriebsleistung des Oszillators gering ist und somit die Eigenerwärmung fast vernachlässigbar ist, beeinflusst die Umgebungstemperatur die Betriebsfrequenz, da diese Änderungen die mechanischen Abmessungen und Spannungen des Quarzkristalls beeinflussen. Es ist wichtig, die Leistung des ausgewählten Oszillators an den Extremen der erwarteten Bereiche zu überprüfen. Diese Bereiche werden üblicherweise wie folgt beschrieben:

• Gewerbe, Automobilklasse 4: 0 bis +70 °C
• Erweiterter gewerblicher Bereich: -20 bis +70 °C
• Industrie, Automobilklasse 3: -40 bis +85 °C
• Erweiterter industrieller Bereich, Automobilklasse 2: -40 bis +105 °C
• Automobilklasse 1: -40 bis +125 °C
• Militär: -55 bis +125 °C
• Automobilklasse 0: -40 bis +150 °C

Bei einigen Designs ist nicht nur die Leistung über die Temperatur ein Kriterium, sondern auch die Notwendigkeit, andere Zuverlässigkeitsanforderungen zu erfüllen. Der ECS-2016MVQ zum Beispiel ist ein Miniatur-Oszillator mit MultiVolt-HCMOS-Ausgang für die Oberflächenmontage und für den Betrieb mit 1,7 bis 3,6 Volt (Abbildung 6). Das 2016er (2,0 mm × 1,6 mm, siehe oben) Keramikgehäuse ist 0,85 mm hoch, zielt auf härtere Industrieanwendungen ab und ist AEC-Q200-qualifiziert (Automotive) für Klasse-1-Temperaturanforderungen. Er ist für Frequenzen von 1,5 bis 54 MHz in vier Abstufungen der Frequenzstabilität erhältlich, von ±20 ppm bis ±100 ppm über -40 °C bis +85 °C; der Phasenjitter ist mit nur 1 Pikosekunde (ps), gemessen von 12 kHz bis 5 MHz, sehr gering.

Abbildung 6: Der ECS-2016MVQ ist für Frequenzen von 1,5 bis 54 MHz und in vier Stabilitätsstufen von ±20 ppm bis ±100 ppm erhältlich. (Bildquelle: ECS Inc. International)

Für Anwendungen, bei denen die Drift über den Betriebsbereich inakzeptabel hoch ist, sind zwei hochentwickelte Oszillator-Implementierungen verfügbar: der temperaturkompensierte Quarzoszillator (TCXO) und der ofengesteuerte Quarzoszillator (OCXO). (Beachten Sie, dass XTAL auf vielen Schaltplänen die Bezeichnung für Quarz ist und „X“ als Abkürzung dafür im Akronym verwendet wird) Ein TCXO verwendet eine aktive Schaltung, um die Änderung der Ausgangsfrequenz aufgrund von Temperaturschwankungen zu kompensieren. Im Gegensatz dazu befindet sich der Kristalloszillator beim OCXO in einem wärmeisolierten Ofen, der beheizt und auf einer konstanten Temperatur über der maximalen Umgebungstemperatur gehalten wird (ein reiner Heizofen kann nicht unter die Umgebungstemperatur abkühlen).

TCXOs benötigen zusätzliche Schaltungen im Vergleich zu einem einfachen Oszillator, aber weit weniger Leistung als der OCXO mit seinem Ofen, der typischerweise mehrere Watt benötigt. Darüber hinaus ist der TCXO nur geringfügig größer als ein unkompensiertes Gerät und viel kleiner als ein OCXO. Ein TCXO zeigt typischerweise eine Verbesserung der Drift zwischen dem 10- und 40-fachen einer unkompensierten Einheit, während ein OXCO im Vergleich dazu eine um zwei Größenordnungen bessere Driftleistung aufweisen kann, allerdings mit einem erheblichen Nachteil bei Größe und Leistungsbedarf.

Der ECS-TXO-32CSMV ist ein oberflächenmontierter TCXO mit geclippter Sinuskurve und MultiVolt-Fähigkeit (1,7 bis 3,465 Volt Versorgungsspannung) für Frequenzen zwischen 10 und 52 MHz (Abbildung 7). Das 3,2 × 2,5 × 1,2 mm hohe Keramikgehäuse eignet sich gut für tragbare und drahtlose Anwendungen, bei denen es auf Stabilität ankommt. Die wichtigsten Spezifikationen zeigen seine extrem hohe Stabilität gegenüber Temperatur, Versorgungswechsel, Lastwechsel und Alterung sowie seinen geringen Strombedarf von unter 2 mA (Tabelle 1).

Abbildung 7: Der ECS-TXO-32CSMV ist ein Quarzoszillator mit geclipptem Sinusausgang, der über eine interne Kompensationsschaltung verfügt, um die Stabilitätsleistung erheblich zu verbessern. (Bildquelle: ECS Inc. International)

Tabelle 1: Die Spezifikationen des temperaturkompensierten TXCOs ECS-TXO-32CSMV zeigen, wie seine interne Kompensation die Stabilitätsleistung trotz einer Reihe von externen Störungen verbessert. (Bildquelle: ECS Inc. International)

Stromsparender Betrieb: oft eine Priorität

Trotz des Trends zu immer höherfrequenten Prozessortakten und Datenraten gibt es immer noch einen großen Bedarf an Quarzoszillatoren mit niedrigeren Frequenzen für das Timing in Anwendungen mit extrem niedriger Leistungsaufnahme. Der ECS-327MVATX zum Beispiel ist ein Miniatur-Oszillator für die Oberflächenmontage, der mit einer festen Frequenz von 32,768 kHz arbeitet und MultiVolt-fähig ist (1,6 bis 3,6 Volt). Mit seinem Strombedarf von nur 200 Mikroampere (µA) und dem referenzbezogenen CMOS-Ausgang eignet er sich gut für Echtzeituhr- (RTC), Niederleistungs-, tragbare, Industrie- und IoT-Anwendungen. Er wird in den Gehäusegrößen 2016 bis 7050 angeboten. Die Frequenzstabilität reicht je nach Modell von engen ±20 ppm bis zu etwas lockereren ±100 ppm über den Temperaturbereich -40 ⁰C bis +85 ⁰C.

Um den durchschnittlichen Stromverbrauch zu minimieren, bieten viele Oszillatoren auch eine Funktion für Aktivierung/Deaktivierung. Der ECS-5032MV zum Beispiel ist ein 125-MHz-Oszillator für Oberflächenmontage mit MultiVolt-Betriebsfähigkeit von 1,6 bis 3,6 Volt und CMOS-Ausgang, der in einem 5032-Keramikgehäuse angeboten wird (Abbildung 8).

Abbildung 8: Der ECS-5032MV ist ein 125-MHz-Oszillator für die Oberflächenmontage mit einer Aktivierungs-/Deaktivierungsfunktion, die helfen kann, Strom zu sparen. (Bildquelle: ECS Inc. International)

Mit einem seiner vier Kontakte kann der Oszillator in den Standby-Modus versetzt werden, wodurch der erforderliche Strom von 35 mA im aktiven Zustand auf nur 10 Mikroampere (µA) im Standby-Modus reduziert wird. Die Anlaufzeit beträgt 5 Millisekunden (ms) nach der Wiederfreigabe der Komponente.

Anpassung der Spezifikationen an die Anwendung

Die Entscheidung für einen geeigneten Quarzoszillator für eine Anwendung ist erwartungsgemäß eine Abwägung von Spezifikationen, Prioritäten, Kosten und deren relativer Gewichtung. Es geht um mehr als die offensichtliche Überlegung, ein Bauteil mit der erforderlichen Nennfrequenz, Frequenzstabilität, Jitter/Phasenrauschen und anderen Eigenschaften als eigenständigen Oszillator auszuwählen. Der Anwender muss außerdem sicherstellen, dass die Ausgangsansteuerung des Oszillators mit der zugehörigen Last und dem System kompatibel ist, damit die Kopplung die Leistung nicht beeinträchtigt. Obwohl es viele solcher Überlegungen gibt, gibt es einige allgemeine Richtlinien:

• Ein LVDS-Ausgang benötigt nur einen einzigen Widerstand am Empfänger, während LVPECL eine Terminierung sowohl am Sender als auch am Empfänger erfordert.
• LVDS, LVPECL und HCSL bieten schnellere Übergänge als CMOS, benötigen aber mehr Strom und sind am besten für Hochfrequenzdesigns geeignet.
• Für den niedrigsten Stromverbrauch über 150 MHz sind CMOS oder LVDS die beste Wahl.
• LVPECL, LVDS und dann CMOS bieten die beste Jitter-Performance bei niedrigen Frequenzen.

Fazit

Der Quarzoszillator ist das Herzstück vieler Schaltungen und Systeme. Um sicherzustellen, dass die Performance dieser Funktion mit den Anforderungen der Anwendung übereinstimmt, ist eine sorgfältige Abwägung der wichtigsten Parameter erforderlich, angefangen bei der Nennfrequenzgenauigkeit, der Stabilität gegenüber der Temperatur und anderen Faktoren wie Jitter und Phasenrauschen. Außerdem muss das Ansteuerungsformat des Oszillators an die Eigenschaften des Lastkreises angepasst werden. Die Quarzoszillatoren der MultiVolt-Familien von ECS bieten überlegene Performance mit Kombinationen von Spezifikationen in kompletten, einfach zu verwendenden Modulen.