Прецизни осцилатори с фиксирана честота

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2010

 Осцилаторите са сред задължителните блокове на комуникационните апаратури още от създаването им през 20-те години на миналия век. Тяхното съвременно развитие, белязано от появата на цифровите комуникации, постави нови и много по-строги изисквания към параметрите на осцилаторите и техните размери, тегло и цена, и доведе до нови технически и технологични решения. Същевременно осцилаторите са необходими и в много други приложения, като индустриалните системи и автомобилната електроника. Понятието “прецизен осцилатор” означава достатъчно стабилни параметри, като на първо място сред тях е честотата на генерираните колебания. В статията се разглеждат реализираните като интегрални схеми съвременни осцилатори с фиксирана честота, голямата част от които са с правоъгълни импулси, докато тези с ограничена от двете страни синусоида (Clapped-sin Oscillator) и с чиста синусоида (Pure-Sin Oscillator) са значително по-редки.Кварцови осцилатори
Наименованието им се дължи на използването на кварцов резонатор (Quartz Resonator, Quartz Crystal), предствляващ тънка пластинка, изрязана под точно определени ъгли спрямо трите геометрични оси на намиращите се в природата кристали. С най-голямо приложение са АТ-срезът (AT-Cut) и BT-срезът (BT-Cut) за резонаторите с общо предназначение и вилкообразният (Tuning Fork) за честотата 32 768 Hz в електронните часовници. Съществуват и изкуствени кристали, получавани чрез израстване в автоклав. От двете страни на пластинката се нанасят тънки метални електроди, които определят символичното означение на фиг. 1а. При прилагане между тях на променливо напрежение се получават механични трептения на пластинката, а поведението на резонатора се описва с еквивалентната схема на фиг. 1б.
Серийният капацитет (Motional Capacitance) C в нея отразява гъвкавостта  на пластинката, индуктивността (Motional Inductance) L – нейната инертност и съпротивлението (Motional Resistance) R съответства на загубите на енергия поради трептенията. Паралелният капацитет (Shunt Capacitance) C0 е между двата електрода (кристалът е изолатор).
Последователният трептящ кръг C-L-R е с резонансна честота fs, при която се определя стойността на R, представляваща параметър на резонатора заедно с капацитета С. Над fs резонаторът има поведение на индуктивност Le, която заедно с С0 образува паралелен трептящ кръг с т.нар. антирезонансна честота fa. Реално успоредно на резонатора се свързва външен кондензатор CL (най-често два последователно свързани кондензатора - фиг. 1в) и паралелният трептящ кръг вече е с резонансна честота fnom намираща се между fs и fa и представляваща основния параметър номинална честота (Nominal Frequency, Fundamental Frequency). В документацията на някои резонатори като fnom се дава стойността на fs и те се отбелязват като Series Resonance Resonator.
Най-голямото предимство на кварцовите резонатори е качественият фактор на кръга със стойности между 10 000 и няколкостотин хиляди, което определя много голямата стабилност на fnom. Същевременно тази честота зависи от CL и относителното й изменение поради него е параметърът Pullability (или Pulling Sensitivity). Параметри са още производственият толеранс (Frequency Tolerance) ftol на fnom с измерение ppm (или 10-6) и относителната й промяна във времето fage (стареене, Aging, Frequency Aging, Long-Term Frequency Stability), обикновено измервана за първата година в ppm/year. Влиянието на температурата върху fnom се оценява чрез относителното й изменение (Frequency Temperature Stability, Temperature Stability, Frequency vs Temperature Characteristic) ftolT в ppm за целия работен температурен обхват TOP.
Често резонаторите с АТ-срез се поставят да работят при нечетните хармонични с приблизителни стойности 3fnom, 5fnom, 7fnom и 9fnom. Тяхното наличие се обяснява чрез реалното съществуване в еквивалентната схема на още последователни трептящи кръгове, всеки със съответната резонансна честота. Върху тях влиянието на CL е по-малко. Максималната мощност на променливия сигнал (Drive level) DL върху резонатора не трябва да се надхвърля, тъй като се ускорява стареенето и той дори може да се повреди. От гледна точка на приложенията е полезно да се има предвид, че ВТ-срезът осигурява около 2 пъти по-тънки пластинки.
В табл. 1 са дадени основните параметри на кварцови резонатори.  Границите на fnom означават, че става въпрос за серия от резонатори, всеки с фиксирана честота, определяна с букви и цифри след означението на серията. В колоната (F)  означава работа на основната честота, а (nrd, th) - работа на n-тия хармоник.  Съпротивлението на R за дадена серия зависи от fnom (намалява с увеличаването й), затова в таблицата е дадена само стойността му за даден честотен обхват. Обикновено всеки от резонаторите в серията може да има повече от една стойности на ftol, също отбелязвана с допълнителен символ в означението. Понякога същото се отнася и за  ftolT и CL.
Кварцовите осцилатори са 3 разновидности в зависимост от влиянието на температурата върху fnom. Първата са класическите осцилатори (Clock Oscillator, Clock Generator, Crystal Oscillator) с най-голяма зависимост на fnom температурата и използвани съкращения XO (X-tal Oscillator) и SPXO (от Simple Packaged XO). Структурата им е дадена на фиг. 2а, където електронната схема ЕС е с усилвателни свойства и чрез положителна обратна връзка осигурява възникването на генерации с честотата fnom на резонатора. Буферът реално отстранява влиянието на паразитния капацитет на изхода върху fnom, а стабилизаторът REC осигурява неизменно постоянно напрежение на ЕС, с което рязко намалява влиянието на захранващото напрежение VCC върху честотата. Трите блока са вградени в ИС на осцилатора, но има модели без REC и/или BUF. Типичното монтиране в корпуса на ИС е показано на фиг. 2б, като отгоре е капачето, под него е резонатора и най-отдолу е ИС.
Към разгледаните параметри се прибавят VCC и консумираният от него ток ICC. При подаване на VCС трябва да измине времето за възникване на генерации (Start-up Time), което е от момента на подаване на VCC до появата на изходното напрежение с типична стойност десетина ms. Важна характеристика за стабилността на честотата е параметърът джитер (Jitter), който представлява  разликата във времената на появата фронтовете на реалните импулси (с плътна линия на фиг. 3) и тези на идеалния осцилатор (с прекъснати линии). Няколко са разновидностите на параметъра, като периодичният джитер (Period Jitter) е разликата между всеки период и средния на осцилатора. Когато причината за него е топлинният шум се използва средноквадратична му стойност (RMS Jitter) RJ, а когато се дължи на  външни шумове максималната стойност (Peak-to-Peak Jitter) JPK-PK. В осцилаторите с правоъгълни импулси  група параметри са тези на импулсите (коефициентът на запълване винаги е 0,5), като амплитудите винаги съответстват на някое от стандартните логически нива.
Две са основните разновидности на ИС на тези осцилатори – едната включва всички елементи на фиг. 2, а при другата резонаторът е външен. В табл. 2 са дадени параметрите на осцилатори на правоъгълни импулси, като трябва да се има предвид, че тези с LVDS нива са с диференциален изход и трябва да се свързват към товар Ch в съответствие със схемата на фиг. 4а. Подобно е свързването на осцилаторите с PECL и LVPECL нива (фиг. 4б).
Значително по-малко е влиянието на температурата върху fnom във втората разновидност - осцилаторите с температурна компенсация (Temperature Compensated Oscillator) TCXO, видоизменението на чиято структура спрямо основната на фиг. 2а е дадено на фиг. 5. Последователно с вградения в ИС резонатор е свързан варикапът VD, чието обратно напрежение се осигурява от термисторната схема ThC. Всяка промяна на температурата изменя напрежението на  VD и неговия капацитет, с което в значителна степен се компенсира нежеланото изменение на честотата на резонатора и съответно fnom. Добрата компенсация изисква прецизно съгласуване на характеристиките на ThC с резонатора, което често се осигурява с няколко ThC, всяка със свой VD.
По принцип стареенето на резонатора намалява ефективността на компенсацията с времето, поради което в TCXO се използват специално обработени и вакуумирани в стъклена обвивка резонатори. За подобряване в тази насока някои ТСХО имат допълнителен блок AFC (Automatic Frequеncy Control) на изхода на схемата на фиг. 5. В табл. 3 са дадени основните параметри на ТСХО, като ftolT с fAR е отбелязан специфичният параметър обхват на регулиране на честотата (Frequency Adjustment Range, Frequency Control Range), определян от VD и ThC. В някои каталози като параметър се дава максималното изходно напрежение от връх до връх Up-p. Осцилаторите в редове 2, 4 и 9 на таблицата са с двустранно ограничена синусоида, а останалите – с изход правоъгълни импулси.
Третата разновидност са температурно стабилизираните осцилатори (Oven Controlled Crystal Oscillator) OCXO, температурата в чиято вътрешност се подържа практически неизменна чрез допълнителна електронна схема и резултатът от това е няколко хиляди пъти по-малка стойност на ftolT. Поради това обикновено измерението й е ppb (part per billion), т.е. 10-9, което се използва и за fage. Структурата на допълнителната схема е дадена на фиг. 6. С BR e означен Уитстонов мост, едното рамо на който съдържа термистор, залепен на нагревателя OV и измерващ температурата му. Всяка промяна на околната температура води до първоначално изменение на тази на OV, изходното напрежение на BR се променя и усилва от А, с което се изменя токът на OV и температурата му се възстановява. Самият OV може да е нагревател (по-често) или радиаторът на А. Описаното действие се осигурява само ако подържаната температура (Turnover Temperature) е поне с няколко градуса по-висока от максималната околна работна температура на осцилатора, което е свързано с недостатъка на по-бързо стареене на резонатора. Последният обикновено е с АТ-срез, но в най-стабилните осцилатори се използват резонатори с SC-срез, стареещи 2-3 пъти по-бавно и осигуряващи няколко пъти по-малък ftolT. Нещо повече, някои производители предлагат разновидности на даден модел с резонатор с единия и другия срез.
Специфичен параметър е времето на загряване (Warm-up Time) tWP, необходимо за установяване на неизменната температура след включване на захранващото напрежение. През това време честотата е по-висока (обикновено с няколко десетки ppm) от номиналната, а токът ICC е 2-3 пъти по-голям от този в установен режим. Към по-голямата постояннотокова консумация на OCXO, която е очевиден недостатък, се прибавят увеличените размери, поради което тези осцилатори са по-скоро модули, отколкото ИС и имат тегло десетина g.
В табл. 4 са дадени основните параметри на ОСХО, като тези в редове 1, 4, 5 и 8 са със синусоидално изходно напрежение и работят с товар 50 ома.

Керамични осцилатори
Те се реализират по схемата на фиг. 2, като вместо кварцов е поставен керамичен резонатор, най-често от оловно-циркониев титанат (PZT). Той е със символично означение на фиг. 1а, еквивалентна схема на фиг. 1б и свързване на външните кондензатори на фиг. 1в. Типичните стойности на R са до 10 W, на L - от няколко десети до няколко mH, на С от няколко pF до няколко десетки рF и на С0 са с един порядък по-големи. Принципът на действие, наличието на честотите fs и fa и работата на резонатора като еквивалентна индуктивност са както при кварцовите резонатори. Последната образува трептящ кръг с С1 и С2 с резонансна честота fnom, като в някои модели резонатори кондензаторите се свързват външно, а при други са вградени и са част от каталожните данни.
Предимствата на керамичните резонатори спрямо кварцовите са по-голямата издръжливост на удари и вибрации, по-малките размери (особено дебелината) и по-ниската цена, както и получаването на недостижимите за кварцовите резонатори честоти под 1 kHz. За сметка на всичко това качественият фактор е между няколко стотици и няколко хиляди, което по принцип означава по-малка стабилност на fnom. Влиянието върху нея на температурата е десетина пъти по-силно, а производственият толеранс – дори по-голям. Все пак в много приложения тези параметри са напълно достатъчни - микроконтролери, телевизори, автомобилна електроника, някои комуникационни устройства, драйвери и контролери за електродвигатели. В табл. 5 са дадени параметрите на керамични резонатори, като с Rr е означено съпротивлението (Resonance Impedance) при честотата fnom.
Керамичните осцилатори са само за правоъгълни импулси и се реализират като самостоятелни ИС, а блоковете ЕС и BUF на фиг. 2 са логически инвертори, които могат да са част от универсална ИС с такива елементи или да са вградени в по-сложна ИС, работеща с осцилатора. Типична схема на керамичен осцилатор е дадена на фиг. 7.
Резисторът R е със съпротивление около 1 MW и осигурява работата на инвертора C1 като усилвател, докато Rd (съпротивление до 2 kW) се поставя при необходимост от намаляване на амплитудата на генерираните импулси. Не са малко каталозите на керамични резонатори, в които параметрите им са в сила за тази схема, дадена заедно със стойностите на елементите и вида на инверторите.

Осцилатори с повърхнинни вълни
Те използват резонатори с повърхнинни вълни (Surface Acoustic Wave Resonator, SAW Resonator) и обикновено се означават като SAW резонатори, а принципът на действието им е изяснен на фиг. 8а. В средата на кварцова пластинка е нанесен преобразувател под формата на два гребеновидни и изолирани един от друг метални слоя. Приложеното между тях променливо напрежение създава от двете им страни повърхнинни акустични вълни (скорост на разпространение около 3 km/s), които се отразяват от рефлекторите и се връщат към преобразувателя. Неговите изводи са тези на резонатора, чието поведение отново се описва с еквивалентната схема на фиг. 1б при типични стойности на С няколко fF, на L стотина mH, на R около 10-20 W и на С0 няколко pF.
Символичното означение са SAW резонаторите е на фиг. 8б, а използването им е както на кварцовите (свързването на фиг. 1в). Основната разлика е в стойността на fnom, която е от няколко десетки MHz до малко над 1 GHz. Горният край на този обхват е недостижим за другите два вида резонатори, което определя простата и евтина реализация на SAW осцилатори (без стъпало за умножаване на честотата). Известен недостатък на повечето резонатори е няколко пъти по-силното влияние на температурата върху fnom. Специфични особености са параметърът внасяни загуби от резонатора при fnom (Resonant Loss) RL и максимално допустимата мощност на сигнала Pm (обикновено до 1-2 mW).
В табл. 6 са дадени основните параметри на SAW резонатори.
Реализацията на SAW осцилатори (SAW Oscillator, SAW/XO) се прави основно по два начина. Първият е с помощта на дискретен биполярен транзистор, една от основните схеми на който е на фиг. 9, докато другият е създаването на ИС със структурата на фиг. 2 и включващи резонатора, които засега са с правоъгълни импулси. Основните им приложения са в оптични мрежи със скорост 1-10 Gbps, локални мрежи със скорост 10 Gbps и SONET. В табл. 7 са основните параметри на ИС на SAW осцилатори.

MEMS осцилатори
Известните от много други области микроелектромеханични преобразуватели (Microelectromecanical System, MEMS) могат да се използват за реализация на резонатори (MEMS Resonator) и осцилатори (MEMS Oscillator). В основата на резонаторите са нанесени върху силициева подложка метални електроди с разстояние помежду им под 1 mm, в което е поставена пластинка, вибрираща под въздействието на променливото напрежение между електродите. Електрическият еквивалент е подобен на схемата на фиг. 1б, а fnom е между 1 MHz и 3 GHz при типичен качествен фактор около 5000 (има лабораторни модели с 60 000). Засега производството е сравнително малко поради все още съществуващи технологични затруднения. Пример за MEMS осцилатори е серията IQMS-2301 на IQD Frequency Product с fnom между 1 и 200 MHz при ftol = ±25ppm, fage = ±1ppm, захранващо напрежение 1,8 V и работен температурен обхват -40 ё +85°С.

"Чисто силициеви" осцилатори (Pure-Silicon Oscillator)
Основните недостатъци на разгледаните резонатори с уязвимостта им към удари и вибрации и невъзможността да бъдат много тънки. Към това се прибавя сравнително сложното производство на осцилатори с тях (особено на кварцовите) и ограниченията за някои приложения поради необходимото време за възникване на генерациите. Това е причината за съществуване, макар и в ограничени мащаби, на ИС на LC осцилатори за правоъгълни импулси със специфични блокове за осигуряване на добра стабилност на fnom. Засега основно се използват като осцилатори с диференциален изход (логически нива LVDS, LVPECL и HCSL) в обхват 1-200 MHz.
Един от типичните примери е серията STCL100, STCL1200 и STCL1600 на STMicroelectronics с fnom съответно 10, 12 и 16 MHz. Промените на fnom поради толерансът и всякакви външни въздействия е не повече от ±1,5%, а температурната стабилност на fnom е приблизително същата, както на класическите кварцови осцилатори. Времето за възникване на генерации е 10 ms, а характерни приложения са управлението на електродвигатели, зарядни устройства, драйвери за дисплеи и др. Друг пример е Si500 на Silicon Laboratories за честоти 0,9-200 MHz, джитер под 2 ps и възможност за избор на логическите нива на изходните импулси – към споменатите са прибавени CMOS и SSTL.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top