Masa litar adalah fungsi kritikal yang diperlukan oleh banyak peranti elektronik, termasuk mikrokontroler, USB, Ethernet, WI - FI, dan antara muka Bluetooth, serta peranti pengkomputeran dan alat -alat perubatan, alat pengukuran dan pengukuran. Semasa mereka bentuk pengayun terkawal - untuk menyediakan masa sistem mungkin pada mulanya kelihatan mudah, pereka mesti mempertimbangkan pelbagai parameter dan keperluan reka bentuk apabila memadankan kristal kuarza dengan pengayun IC.
Terdapat beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan, termasuk impedans gerakan kristal, mod resonans, kuasa pemacu, dan rintangan negatif pengayun. Dari segi susun atur litar, pereka mesti mengambil kira kapasitans parasit PCB, tambahkan jalur pelindung di sekitar kristal, dan masukkan kapasitor cip -. Reka bentuk akhir mestilah padat dan boleh dipercayai, dengan komponen paling sedikit, jitter rata -rata akar rendah (RMS), dan penggunaan kuasa yang minimum merentasi julat voltan input yang luas.
Pengayun kristal yang mudah dibungkus (SPXO) adalah satu penyelesaian. Pengayun voltan berterusan ini dioptimumkan untuk penggunaan kuasa yang rendah dan jitter RMS yang rendah dan boleh beroperasi di mana -mana voltan antara 1.60 V dan 3.60 V, membolehkan pereka untuk mencapai penyelesaian yang boleh diintegrasikan ke dalam sistem dengan usaha reka bentuk yang minimum.
Artikel ini akan membincangkan secara ringkas beberapa keperluan prestasi penting yang mesti dipenuhi dan reka bentuk cabaran yang mesti diatasi apabila merancang litar masa menggunakan kristal kuarza diskret dan ICS masa. Ia kemudiannya akan memperkenalkan penyelesaian SPXO Abracon dan menerangkan bagaimana pereka boleh menggunakan peranti ini untuk memenuhi keperluan masa sistem elektronik dengan berkesan.
Operasi pengayun kristal dan cabaran reka bentuk
Penggunaan kuasa adalah pertimbangan kritikal untuk bateri kecil - peranti wayarles berkuasa. Banyak peranti sedemikian didasarkan pada ultra - rendah - sistem kuasa - pada - radio dan pemproses chip (soc) yang dapat menyokong hayat bateri yang merangkumi beberapa tahun. Di samping itu, kerana bateri sering merupakan komponen paling mahal dalam sistem, meminimumkan saiznya adalah penting untuk mengawal kos peranti. Yang mengatakan, arus siap sedia sering merupakan pertimbangan hayat bateri yang paling kritikal dalam sistem wayarles kecil, dan arus siap sedia sering dikuasai oleh pengayun jam. Oleh itu, adalah penting untuk meminimumkan penggunaan semasa pengayun.
Malangnya, mereka bentuk pengayun kuasa - yang rendah boleh mencabar. Satu kaedah penjimatan tenaga adalah untuk meminimumkan arus siap sedia dengan memasukkan keadaan "orang kurang upaya" dan memulakan pengayun apabila diperlukan. Walau bagaimanapun, memerlukan pengayun kristal untuk bermula dengan cepat dan boleh dipercayai bukanlah tugas yang mudah. Pereka mesti memastikan bahawa pengayun kekal dalam keadaan semasa - semasa siap sedia dan mempunyai ciri -ciri permulaan yang boleh dipercayai di bawah semua keadaan operasi dan persekitaran.
Konfigurasi pengayun Pierce biasanya dijumpai dalam SOC tanpa wayar kuasa - (Rajah 1). Pengayun Pierce dibina menggunakan kristal (x) dan kapasitor beban (C1 dan C2), dikelilingi oleh penguat pembalik dengan perintang maklum balas dalaman. Di bawah keadaan yang sesuai, apabila output penguat diberi makan kembali kepada input, rintangan negatif dihasilkan, yang membawa kepada ayunan.
Rajah 1: Konfigurasi pengayun Pierce asas yang dibina di sekitar kristal (x) dan beban kapasitor C1 dan C2.
Struktur kristal adalah kompleks; Perbincangan ini hanya meliputi lapisan atas dan struktur kristal mudah yang beroperasi dalam pengayun.
Ditutup - Gain Gain Margin GM boleh digunakan sebagai tokoh merit (FOM) untuk menggambarkan kebolehpercayaan pengayun berbanding dengan pelbagai kerugian. Ditutup - margin keuntungan gelung juga dirujuk sebagai margin ayunan (OA). Nilai OA di bawah 5 boleh membawa kepada masalah pengeluaran dan suhu pengeluaran yang rendah - isu permulaan yang berkaitan. Reka bentuk dengan nilai OA sebanyak 20 atau lebih tinggi adalah kukuh dan tahan lama, beroperasi dengan pasti dalam julat suhu operasi reka bentuk, dan mempamerkan kesan minimum dari kumpulan pengeluaran yang berbeza pada ciri -ciri prestasi kristal dan SOC.
Untuk mengukur OA pengayun, RA perintang yang berubah -ubah boleh ditambah ke litar (Rajah 2). Meningkatkan nilai RA sehingga pengayun gagal bermula. Inilah kaedah yang digunakan untuk menentukan nilai OA, seperti yang ditunjukkan di bawah:
Persamaan 1
Di mana:
RN adalah rintangan negatif
Re adalah rintangan siri setara (ESR).
Persamaan 2
Persamaan 3
Di mana kapasitans beban CL dikira seperti berikut:
Persamaan 4
di mana CS adalah kapasitor pembolehubah litar, dengan nilai kapasitans biasanya antara 3.0 dan 5.0 pf.
Rajah 2: Menunjukkan model kristal lanjutan (kotak tengah) dan perintang laras (RA) yang digunakan untuk mengukur margin ayunan.
OA bergantung kepada ESR (RE), dan ESR bergantung kepada parameter kristal kuarza RM dan beban kapasitans Cl. Untuk pengayun kuasa rendah -, seperti yang digunakan dalam peranti wayarles kuasa rendah -, pengaruh RM dan Cl pada peningkatan OA. Mengukur OA adalah masa - memakan dan boleh memanjangkan proses pembangunan. Oleh itu, tugas ini mungkin diabaikan, yang membawa kepada isu -isu prestasi apabila sistem atau peranti dimasukkan ke dalam pengeluaran.
Di samping itu, menetapkan OA yang tinggi untuk memastikan operasi pengayun yang boleh dipercayai boleh menyebabkan isu lain. Sebagai contoh, sementara OA yang lebih tinggi meningkatkan prestasi litar pengayun, ia mungkin mengabaikan kerugian kuasa yang disebabkan oleh kristal. Kerugian sedemikian boleh menjadi faktor penting. Merujuk kepada Rajah 2, RM rintangan gerakan kristal menyebabkan pelesapan kuasa sebagai aliran semasa secara berkala melalui perintang. Apabila CL besar, ia meningkatkan kedua -dua semasa dan kerugian. Oleh itu, pereka perlu mengimbangi kehilangan kuasa kristal dengan nilai OA yang munasabah.
Mengelakkan jitter
Apabila merancang pengayun kristal kuarza, penting untuk memahami dan mengurangkan jitter. Jitter mempunyai dua jenis, biasanya diukur dengan nilai purata akar (rms):
Jitter tempoh: Juga dikenali sebagai jitter fasa, ini merujuk kepada perbezaan masa maksimum antara beberapa tempoh ayunan yang diukur, biasanya diukur selama sekurang -kurangnya 10 tempoh.
Jitter kitaran: Ini adalah variasi maksimum dalam kelebihan jam, diukur untuk setiap kitaran dan bukannya beberapa kitaran.
Sumber utama jitter dalam pengayun kristal kuarza termasuk bunyi bekalan kuasa, harmonik integer frekuensi isyarat, pemuatan yang tidak wajar dan keadaan penamatan, bunyi penguat, dan konfigurasi litar tertentu. Bergantung pada sumber, kaedah yang berbeza boleh digunakan untuk meminimumkan jitter.
Gunakan kapasitor pintasan, induktor cip, atau perintang - penapis kapasitor (RC) untuk mengawal bunyi bekalan kuasa.
Dalam aplikasi kritikal yang memerlukan jitter yang sangat rendah, mewujudkan kaedah untuk mengawal harmonik adalah penting (di luar skop artikel ini).
Kurangkan kuasa yang ditunjukkan kembali ke output dengan mengoptimumkan beban dan keadaan penamatan.
Elakkan reka bentuk yang termasuk fasa - gelung terkunci, pengganda, atau fungsi yang boleh diprogramkan, kerana mereka sering meningkatkan jitter.
Pengayun kristal voltan berterusan
Menggunakan SPXOS ASADV, ASDDV, dan ASEDV Abracon adalah berfaedah untuk merancang sistem di mana voltan bias berbeza antara 1.60 dan 3.60 V (Rajah 3). Siri SPXO merangkumi julat frekuensi yang berbeza; Peranti ASADV beroperasi pada frekuensi dari 1.25 MHz hingga 100 MHz, manakala peranti ASDDV dan ASEDV beroperasi dari 1 MHz hingga 160 MHz. Siri ini mematuhi piawaian ROHS/ROHS II dan menggunakan permukaan seramik yang dimeteraikan - pembungkusan peranti (SMD). Dalam julat suhu operasi -40 darjah ke +85 darjah, siri ini mencapai kestabilan frekuensi ± 25 ppm.
OA bergantung kepada ESR (RE), dan ESR bergantung kepada parameter kristal kuarza RM dan beban kapasitans Cl. Untuk pengayun kuasa rendah -, seperti yang digunakan dalam peranti wayarles kuasa rendah -, pengaruh RM dan Cl pada peningkatan OA. Mengukur OA adalah masa - memakan dan boleh memanjangkan proses pembangunan. Oleh itu, tugas ini mungkin diabaikan, yang membawa kepada isu -isu prestasi apabila sistem atau peranti dimasukkan ke dalam pengeluaran.
Di samping itu, menetapkan OA yang tinggi untuk memastikan operasi pengayun yang boleh dipercayai boleh menyebabkan isu lain. Sebagai contoh, sementara OA yang lebih tinggi meningkatkan prestasi litar pengayun, ia mungkin mengabaikan kerugian kuasa yang disebabkan oleh kristal. Kerugian sedemikian boleh menjadi faktor penting. Merujuk kepada Rajah 2, RM rintangan gerakan kristal menyebabkan pelesapan kuasa sebagai aliran semasa secara berkala melalui perintang. Apabila CL besar, ia meningkatkan kedua -dua semasa dan kerugian. Oleh itu, pereka perlu mengimbangi kehilangan kuasa kristal dengan nilai OA yang munasabah.
Mengelakkan jitter
Apabila merancang pengayun kristal kuarza, penting untuk memahami dan mengurangkan jitter. Jitter mempunyai dua jenis, biasanya diukur dengan nilai purata akar (rms):
Jitter tempoh: Juga dikenali sebagai jitter fasa, ini merujuk kepada perbezaan masa maksimum antara beberapa tempoh ayunan yang diukur, biasanya diukur selama sekurang -kurangnya 10 tempoh.
Jitter kitaran: Ini adalah variasi maksimum dalam kelebihan jam, diukur untuk setiap kitaran dan bukannya beberapa kitaran.
Sumber utama jitter dalam pengayun kristal kuarza termasuk bunyi bekalan kuasa, harmonik integer frekuensi isyarat, pemuatan yang tidak wajar dan keadaan penamatan, bunyi penguat, dan konfigurasi litar tertentu. Bergantung pada sumber, kaedah yang berbeza boleh digunakan untuk meminimumkan jitter.
Gunakan kapasitor pintasan, induktor cip, atau perintang - penapis kapasitor (RC) untuk mengawal bunyi bekalan kuasa.
Dalam aplikasi kritikal yang memerlukan jitter yang sangat rendah, mewujudkan kaedah untuk mengawal harmonik adalah penting (di luar skop artikel ini).
Kurangkan kuasa yang ditunjukkan kembali ke output dengan mengoptimumkan beban dan keadaan penamatan.
Elakkan reka bentuk yang termasuk fasa - gelung terkunci, pengganda, atau fungsi yang boleh diprogramkan, kerana mereka sering meningkatkan jitter.
Ringkasan
Pereka memerlukan pengayun yang tepat dan boleh dipercayai untuk menyediakan masa yang stabil dalam pelbagai aplikasi dan suhu operasi. Crystal diskret - pengayun terkawal dapat memenuhi ciri -ciri prestasi yang diperlukan, tetapi secara teknikalnya mencabar untuk mereka bentuk dengan berkesan menggunakan kristal, iaitu masa - memakan dan menghasilkan kos yang tidak perlu. Di samping itu, mereka bukan pilihan yang optimum dari segi faktor bentuk.
Seperti yang ditunjukkan dalam angka, pereka boleh menggunakan spxos bersepadu kuasa - yang rendah. SPXOS ini membentuk siap - ke - menggunakan penyelesaian masa, mencapai kestabilan frekuensi yang sangat baik merentasi julat suhu operasi yang sangat luas. Dengan menggunakan SPXOS, pereka boleh mengurangkan bilangan komponen, meminimumkan saiz penyelesaian, kos pemasangan yang lebih rendah, dan meningkatkan kebolehpercayaan.