Прецизни осцилатори с променяща се честота

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2010

 Нормалната работа на много съвременни електронни устройства изисква да имат осцилатор с голяма стабилност на честотата, чиято стойност може да се променя в широки граници плавно или с дискретни стъпки. Типични примери са устройствата за комуникационни мрежи с голяма скорост на обмен. Статията е посветена на съществуващите разновидности на осцилатори, като за всеки вид е изяснено действието и използваните специализирани ИС. Дадени са и примери за характерни схеми на осцилатори.

Прецизни осцилатори управлявани с напрежение
Базовото английско наименование Voltage Controlled Crystal Oscillator (VCXO) се отнася за най-често използвания техен вид - осцилатори с кварцов резонатор. Негови разновидности, макар и с по-малко приложение, са температурно компенсираните кварцови осцилатори (Temperature Compensated VCXO) TCVCXO и температурно стабилизираните кварцови стабилизатори (Oven Controlled VCXO) OCVCXO, чиято честота зависи значително по-малко от промените на околната температура. От 2-3 години съществуват осцилатори с прибор с повърхнинни вълни (Voltage Controlled SAW Oscillator) VCSO, чиято максимална честота е по-голяма от тази с кварцов резонатор и достига 1 GHz. Изменението на честотата във всичките разновидности е плавно под въздействие на положително напрежение VС с постоянна или променяща се във времето стойност.
Характерни приложения на тези осцилатори са в устройства за комуникационни мрежи (SONET, SDA, Stratum, 1&10GBEthernet, xDSL, DSLAM, оптични, базови станции за клетъчни, микровълнови и спътникови), сървъри, запаметяващи устройства, видеодекодери, платформи Т3 и Е3, измервателни апаратури и тестери.
Основните параметри на прецизните осцилатори управлявани с напрежение са както на тези с фиксирана честота (вж. статията “Прецизни осцилатори с фиксирана честота” в бр. 4/2010 г. на сп. Инженеринг ревю). В тях влизат времето за установяване на изходното напрежение (Start-up Time) tst след подаване на захранващото напрежение, границите на самото напрежение (Supply Voltage) VСС, консумираният ток (Current Consumption) ICC и работният температурен обхват (Operating Temperature Range) TOP.
В огромната част от случаите производителите предлагат набор от ИС, всяка с различна средна честота f0 на обхвата, а осцилатори с една f0 са рядкост. Стойността на f0 се получава с VС в средата между двете му гранични стойности и еднакви останали параметри. Стойностите на f0 се дават в каталога или се получават със заявка от производителя.
Съществуват и специфични параметри, на първо място сред които е обхватът на регулиране (Pulling Range, Total Pull Range, Frequency Deviation, Frequency Control Range) PR, представляващ относителната промяна на честотата при изменение на VС в неговите граници с типични стойности между няколко десети от ppm и 200 ppm. При това функцията f0(VC) е нарастваща (отбелязва се като Positive Slope) и близка до линейната. Максималната относителна разлика в проценти между нея и идеалната, представляваща права линия, е параметърът линейност (Linearity) с типични стойности до 10%. Тъй като f0 нежелано зависи и от външни фактори, то промяната им изменя и обхвата. Поради това някои производители дават като параметър абсолютния обхват на регулиране (Absolute Pull Range) APR, който се гарантира при всички промени поради външните влияния. Изходното напрежение на голямата част от осцилаторите е положителни правоъгълни импулси с едно или две от стандартните логически нива. Задължителни параметри на импулсите са коефициентът на запълване (Symetry) с типична стойност 0,5 и неин толеранс ±5% или ±10% и продължителностите на предния (Rise Time) и задния (Fall Time) фронт, обикновено между 2 и 10 ns.
Значително по-рядко изходното напрежение е двустранно ограничена синусоида (Clipped Sin), при което параметър е амплитудата й от връх до връх Up-p. Промяната във времето на VС означава получаване на честотно модулиран изходен сигнал на осцилатора, което е с многобройни приложения. Поради това в някои каталози като параметър се дава максимално възможната честота на VС (Modulation Bandwidth) MB.
Структурата на ИС на осцилатор управляван с напрежение е дадена на фиг. 1. Резонаторът Res винаги е вграден и създава верига за положителна обратна връзка, благодарение на която усилвателят Amp започва да генерира. Чрез буфера Buf се осигуряват необходимите логически нива или амплитуда на изходното напрежение и практически се отстранява влиянието на товара в изхода OUT върху параметрите. За правилната работа на осцилаторите трябва да се спазва даденият с каталога им товар – при реализиране на Buf с биполярни транзистори той е
50 W (по-рядко 100 W), а когато е CMOS трябва капацитетът му да не надхвърля дадена максимална стойност (обикновено 15 pF). При ИС с логически нива LVDS и LVPECL изходът е диференциален.
В табл. 1 са дадени основните параметри на ИС на осцилатори управлявани с напрежение. Вижда се характерният за тях малък обхват на регулиране.
При ползването на осцилаторите трябва да се има предвид, че част от тях имат допълнителен вход за изключване чрез логически сигнал (Output Enable), като обикновено със същите параметри има и разновидност без такъв вход. Освен това изходът в някои ИС е с трето състояние (на висок импеданс), както в много цифрови ИС. Пример за свързването на осцилатор с LVDS изход е даден на фиг. 2. Предназначението на кондензаторите към захранващото напрежение VСС е както при много други схеми, а изходите OUT и OUT черта се свъзват към симетричния вход на друга схема с два 50-омови кабела.

Прецизни осцилатори с PLL управлявани с напрежение
Българският термин “фазова донастройка на честотата”, съответстващ на PLL (Phase Locked Loop) се използва сравнително рядко. Принципът на действие на PLL е изяснен чрез опростената блокова схема на фиг. 3. На единия вход на фазовия детектор PD се подава напрежение (по принцип то може да е с правоъгълни импулси или синусоидално) с честота fi, която се сравнява с fD от делителя на честота DIV. Напрежението UPD е право пропорционално на разликата fD-fi и то променя f0 на изхода на осцилатора управляван с напрежение VСО, докато се получи fD=fi и съответно UPD=0. И тъй като fD=f0/N, където N е коефициентът на делене на DIV, се получава f0=Nfi. При това всякакви нежелани промени на f0 поради външни въздействия създават UPD и управляваният с напрежение осцилатор VСО я възстановява, т.е. честотата на изхода е толкова стабилна, колкото fi, но е N пъти по-голяма.
Структурата на прецизен осцилатор с PLL управляван с напрежение (VCXO&PLL Clock generator) е дадена на фиг. 4, като изходното напрежение е само с положителни правоъгълни импулси. Честотата fi се задава от блока VCXO и стойността й зависи от напрежението VС. Предимствата на този тип осцилатори в сравнение с класическите VСХО са възможността за получаване на по-големи стойности на f0 и повишената й стабилност.
В табл. 2 са дадени основни параметри на осцилатори с PLL, чиито определения не се различават от тези на осцилаторите без PLL. Дадената в ред 1 ИС е с отделни захранващи напрежения за аналоговата (VСС) и цифровата (VDD) част, докато останалите са с едно напрежение. Всички осцилатори са с външен кварцов резонатор с честота fi, като в повечето каталози се дават и изискванията към параметрите на резонатора. Управляващото напрежение VС и тук е положително. Особеност на осцилатора в ред 1 е наличието на два PLL блока с отделни изходи, като честота на единия се фиксира еднократно в дадения в таблицата обхват чрез вградената в ИС памет с еднократен запис, а тази на другия може да има 16 дискретни стойности, използвани във видео и аудио устройства с MPEG и АС3, които се задават чрез три програмиращи входа или интерфейса I2С. Осцилаторът в ред 2 е предназначен за комуникационни устройства, например ADSL модеми. Означението M-LVDS (Multipoint Low Voltage LVDS) на този и следващия осцилатор показва възможността за свързване към изхода с трето състояние на повече от един LVDS товара. Осцилаторът в ред 4 е с вграден резонатор, а APR е с една от шестте стойности в зададения обхват в зависимост от допълнителна буква в означението. Предназначен е за устройства 10Gb Ethernet, оптични мрежи, мрежови процесори и SATA дискове.

Прецизни програмируеми осцилатори
Създадени са поради необходимостта от осигуряване на положителни правоъгълни импулси с няколко честоти, които да се избират чрез логически нива на определени управляващи входове на ИС. Някои производители ги наричат Frequency Controlled Crystal Oscillator (FCXO). Структурата им е PLL (фиг. 3), като различните честоти се осигуряват чрез промяна на коефициента N на делителя на честота DIV. Относителният дял на производството им е по-малък от този на останалите прецизни осцилатори с изменяща се честота, поради което ще бъдат дадени само два характерни примера. Първият е ИС NW36M25LA на Nihon Dempa Kogyo с три изхода – на единия се получават честоти 12.96, 19.44, 25.92, 38.33, 51.84 и 77.76 MHz, на втория 1.544 и 2.048 MHz и третият е с фиксирана честота 8 kHz. При това има четири CMOS входа, чиито честоти fi могат да се избират между 9 стойности. Захранващото напрежение е +3,3V±5%, а постояннотоковата консумация – 150 mA.
Вторият прибор е МАХ3629 с три LVDS и пет LVCMOS изхода, честотата на всеки от които може да е 125, 156.25 и 312.5 MHz и се задава чрез два управляващи входа. За fi са предвидени два входа – за кварцов резонатор с честота 25 MHz и за друг източник с 20-320 MHz. Захранващото напрежение е +3,3V±10% при консумация 176 mA.
Полезно е да се има предвид, че към тази разновидност спадат още Programmable Oscillators и Programmable Clocks, които имат фиксирана честота f0, установявана чрез еднократно програмиране в процеса на производство. Примери са CFPP-57 (f0 между 1 и 150 MHz) и CFPP-620 (200-700 MHz) на IQD Frequency Products.

Синтезатори на честота
По своята същност те представляват осцилатори с дискретно изменение на честотата f0, за което съществуват две възможности. Едната е да бъде с много малка стъпка в широк обхват, което позволява синтезаторът реално да се използва като осцилатор с плавно изменение на честотата, а другата е до 16 значително различаващи се една от друга фиксирани стойности. Стъпката (Frequency Resolution) FR е специфичен параметър на първата група и представлява разликата между две съседни стойности на f0. Изходното напрежение на синтезаторите в голяма част от случаите е положителни правоъгълни импулси в съответствие с някое от стандартните логически нива и коефициент на запълване 0,5 (в статията не се разглеждат синтезатори със синусоидално изходно напрежение и възможности за неговата честотна модулация поради специфичните им приложения в предаватели от GHz-овия обхват). Конструктивното оформление е като една (най-често) или две ИС при f0 до около 2 GHz и като модули (някои с твърде малки размери) за по-високи честоти.
Освен във вече изброените устройства за комуникационни мрежи, синтезаторите се използват като тактови генератори в компютъръни конфигурации, базови станции на 3G-мрежите, в цифрови звуковъзпроизвеждащи системи (някои синтезатори, например даденият в ред 8 на табл. 3, са специално разработени за целта), цифрови телевизионни приемници, DVD устройства, принтери, Bluetooth модули, GPS приемници, устройства за радиочестотна идентификация, както и навсякъде другаде, където са необходими много малки стойности на джитера.
В основата на действието на синтезаторите е PLL схемата на фиг. 3, но тя не може да осигури достатъчно малки FR. Причината е в равенството f0 = Nfi, което показва, че f0 се променя чрез коефициента на делене N и че FR е равна на fi. Именно липсата на прецизни осцилатори с фиксирана честота под десетина kHz ограничава получаването на малки FR. Поради това са създадени множество варианти на фиг. 3, които се свеждат до три основни типа.
Тип 1 използва VСО и от своя страна има три разновидности. Опростената блокова схема на тип 1А е на фиг. 5а. Прибавянето на входния делител DIVP с коефициент Р означава fi/P = f0/N и f0 = Nfi/P, т.е. стъпката е FR = fi/P и по принцип може да бъде направена произволно малка при големи Р. Тип 1Б има същата структура, но DIVN реално се състои от три делителя и има коефициент N = MxB+A (с А<M), където А, В и М са коефициентите на делителите. Последната разновидност (тип 1В) е с блокова схема на фиг. 5б. Прибавянето на делителя DIVD с коефициент D означава, че f0 е D-пъти по-малка в сравнение с предните два типа, т.е. f0 = Nfi/(PЧD) и съответно допълнително намаляване на стъпката. Общата особеност на тип 1 е, че стабилността на f0 е равна на тази на fi, която честота се задава от кварцов резонатор, свързан към ИС, или от друг източник.
Тип 2 се реализира обикновено по схемата на фиг. 5б, но вместо VСО се използва VСХО, който също има собствен кварцов резонатор. Ползата от замяната е значително по-малкото напрежение на PD за управляване на VСХО, което по принцип позволява увеличаване на бързодействието, т.е. схемата реагира по-бързо на нежелана промяна на f0 и я възстановява.
Промяната на честотата на тези два типа синтезатори става чрез изменение на коефициентите на делителите. За целта им се подават двоични числа, най-често чрез някой (или някои) от стандартните интерфейси като самото въвеждане и ползването на вградените регистри е описано в каталога на синтезатора. В случая на синтезатори с няколко стойности на f0 се използват цифрови входове, на които постъпват необходимите логически нива.
Опростената структура на най-новия тип 3 е показана на фиг. 6. Напрежението от PD, получено както в първите два типа, се преобразува в число от аналоговоцифровия преобразувател ADC, което постъпва в цифровия сигнален процесор DSP. В него числото се сравнява с постъпващото отвън (веригата не е показана на фиг. 6), с което се формира ново число за установяване на f0 на изхода на цифровия VСО (означен като DVCO). Така DSP осигурява по програмен път действието на делителите. Основните предимства на този тип спрямо първите два са недостижимо малките за тях стойности на FR (107-108 пъти по-малки от fi) и на средноквадратичния джитер (няколко десети от ps). Осигуряването от DSP на принципа на действие на PLL определя наименованието DSPLL синтезатори.
В табл. 3 са основни параметри на характерни синтезатори, като двата вида джитер (JPK-PK и RJ) са изяснени в споменатата статия в бр. 4/2010 г. на сп. Инженеринг ревю. Особеност на синтезатора в ред 1 e наличието на два входа за fi с автоматично превключване на втория при липса на сигнал на първия. Когато и на двата входа няма сигнал, превключването е към външния кварцов резонатор (честота между 10 и 52 MHz). Два са и изходите с фиксирани стойности на f0 и общ брой 64. Даденият в ред 2 работи с външен VСО и осигурява 11 стойности на f0 чрез логически нива на трите управляващи входа. Останалите ИС в таблицата са с вграден VСО. Синтезаторът в ред 3 е с 9 изхода, на всеки от които може да се установи една от четирите стойности на f0 чрез логически нива на два входа. Даденият в ред 4 е с два независими изхода. Модулът в ред 5 осигурява синусоидално изходно напрежение с дадената в предпоследната колона мощност. Синтезаторът в ред 6 съдържа три PLL схеми и четири делителя DIVD, които чрез програмиране на мултиплексори могат да се свързват по различен начин. Даденият в ред 7 е с две захранващи напрежения, а fi се задава от кварцов резонатор с честота 10-20 MHz или от друг източник с честоти в табл. 3. Синтезаторът в ред 8 има 16 стойности на f0 с дадения обхват, установявани с 4-разредно число на паралелен вход. HDTV и модерните комуникационни мрежи изискват много малки стойности на FR и джитера, което се осигурява от синтезатора в ред 9. Той допълнително може да се използва като VСХО с МВ = 10 kHz и APR = ±25 ё ±375 ppm и е с вграден кварцов резонатор.

Осцилатори с разпределен спектър
Едно от изискванията към правоъгълните импулси на всички разгледани видове осцилатори е да имат максимално къси фронтове. Поради това те съдържат множество хармоници със значителни амплитуди и представляват нежелан източник на електромагнитни смущения. За удовлетворяване на нормите за електромагнитна съвместимост и съответно избягване на влиянието на осцилаторите върху други блокове и устройства често се налага екраниране, например чрез метални пластини, магнитни пръснени и ленти или и двете, както и с допълнителни слоеве в печатните платки. Вместо това усложняване и оскъпяване  се използват (когато е възможно) осцилатори и синтезатори с разпределен спектър (Clock Generation with Spread Spectrum) CGSS. Тяхната честота f0 се изменя по псевдослучаен закон в тесни граници, поради което енергията на сигнала вместо да е съсредоточена в много тясна лента се разпределя в значително по-широка и амплитудите на хармониците намаляват. При това колкото по-големи са границите на изменение на честотата толкова по-малки са смущенията, но за сигурното използване на импулсите е необходима по-сложна апаратура.
Няколко са специфичните параметри на CGSS. Първият е обхватът на изменение на честотата (Spread Spectrum, Spread), който е относителната й промяна спрямо основната честота f0. Обхватът при симетрично изменение (Central Spread) CS представлява границите, между които се увеличава и намалява честотата около f0, докато обхватът при намаляване (Down Spread) DS е промяната на честотата между f0 и най-малката нейна стойност (прието е да се отбелязва като отрицателен). Двата обхвата типично са между няколко десети от процента и десетина процента, като в много CGSS чрез управляващо двоично число могат да се избират две или повече техни стойности. Друг параметър е модулиращата честота (Modulation Rate) MR, която е максималната честота на псевдослучайния сигнал. Понякога като параметър се дава и времето за смяна на обхвата (Setting Period of Spread Change) с типични стойности няколко ms.
В зависимост от вида на осцилатора, чиято честота се променя, съществуват две основни разновидности на CGSS. Първата условно може да бъде наречена тип А и принципът на действието й е изяснен чрез опростената блокова схема на фиг. 7а.
Генераторът на псевдослучайни числа (Pseudorandom Code Generator) PCG е свързан с фазовия детектор на блока PLL чрез ключа S, управляван чрез разреда bs. Ключът съществува в по-голямата част от CGSS и при отварянето му те работят като обикновен синтезатор на честота. Входовете FS служат за задаване на обхвата на изменение на честотата, за избор между CS и DS и на MR. Чрез драйвера DR се избягва влиянието на товара върху PLL, а в някои случаи той осигурява и значителен изходен ток (до двайсетина mA). Втората разновидност (тип Б) е с подобна блокова схема (фиг. 7б) и същия принцип на действие, но вместо PLL има генератор на правоъгълни импулси (OSC), който е VСО или VСХО.
Характерни приложения CGSS намират в цифровата телевизия и други устройства на битовата електроника, жичните и безжичните комуникации, LCD дисплеи, системи за видеонаблюдение и управление, компютърни блокове (напр. USB и SATA), запаметяващи устройства, рутери. Някои CGSS се разработват за определени приложения, например за стандарта PCIExpress2.0 (даденият на ред 7 в табл. 4) и за многофазни ключови стабилизатори (ред 2). Таблицата съдържа основните параметри на типични осцилатори с разпределен спектър. Особености на дадения в ред 2 са шестте изхода за импулси с еднаква честота и различаващи се фази и възможността за задаване на f0 с външен резистор, докато този в ред 3 има два PLL блока и 6 изхода, всеки със собствена честота. Осцилаторът в ред 7 е с 4 диференциални изхода със състояние на висок импеданс и f0 на всеки е една от стойностите в таблицата. Синтезаторът в последния ред е с вграден VСХО (PR = ±150 ppm при VС=0-1,8 V) и 3 изхода. Въвежданите управляващи числа се запомнят във вградена EEPROM.




Top