Съвременни интегрални резонатори и осцилатори

Стефан Куцаров

Все по-рядко се срещат съвременни електронни устройства без блок за генериране на напрежение със стабилна честота. Освен за постигане на желаните параметри на устройството, той може да е част от неговия принцип на действие (за което всеки специалист по електроника познава много примери). Към класическите кварцови кристали постепенно се прибавиха елементи на други физически принципи, като всички те допринасят за увеличаващото се разнообразие при съвременните осцилатори.

Самите елементи имат и други съществени приложения, например реализацията на филтри, но те не са обект на настоящата статия. Основната част на споменатите в нея прибори са представени след 01.01.2015 г., но на пазара продължават масово да се предлагат такива от последните 15-ина години.

Резонатори
Съвременният термин резонатор се отнася за елементи, които при свързване в подходяща електронна схема могат да генерират електрически сигнал реално с единствена честота fnom, представляваща основният им параметър. Обикновено в каталозите се предлага серия от резонатори с честоти в определен обхват с изключение на предвидените за часовници поради международно утвърдената f_nom=32,768 kHz. Последната е реално най-ниската честота на резонаторите, докато най-високата е около 1 GHz. Производственият толеранс на честотата (Frequency Tolerance) f_tol или ΔF/F обикновено е в сила при температура 25°С и ползва като мерна единица ppm и %. Зависимостта на честотата от температурата се оценява чрез температурната стабилност (Temperature Stability, Frequency Stability) T_C, показваща с колко ppm се променя fnom в работния температурен обхват (по-рядко се ползва ppm/°С). Полезно е да се има предвид, че обикновено стойностите на трите параметъра заедно с други данни се прибавят чрез цифри и букви към означението на прибора.

Пример за резонатор от серията на ред 4 в табл. 1 е даден на фиг. 1а - 1 е означението й, 2 е за корпуса SMD, 3 е големината и вида му (в случая залят със смола), 4 е стойността на f_nom (24 MHz), 5 показва работа на резонатора на основния му тон, 6 е толерансът (±100 ppm), 7 е температурната стабилност от ±50 ppm, 8 показва стандартен тип данни и 9 е за фабричната опаковка в пластмасова лента.

Кварцови резонатори (Quartz Crystal Resonator, Crystal Resonator). Независимо че като принцип са твърде стари (първият е от 1921 г.), прогнозите сочат нарастване на предлаганите на пазара обеми. В зависимост от начина на изработка на резонатора от кристала се използват основно два вида. При първия (AT-Cut Cristal) зависимостта на fnom от температурата е пълен полином от III ред и няма възможност за настройка на стойността й в процеса на производство. Вторият са тип вилица (Tuning Fork Crystal, TF Crystal), което се вижда от структурата на кристала им на фиг. 1б. При тях зависимостта на fnom от температурата е параболична с мерна единица ppm/°C2 и в последния етап на производството може да се променя дължината на вилицата за намаляване на толеранса.

Част от резонаторите (например този на ред 1 в табл. 1) позволяват свързване и за генериране на 3f_nom (3^rd Overton) без промяна на останалите параметри. От гледна точка на приложенията някои производители предлагат серии резонатори отделно за битова електроника, за автомобили, за мултимедийни устройства и за индустрията. Практическа подробност е, че използването на керамични корпуси и най-вече такива с вградена метална пластинка, намалява ТС и повишава надеждността. В табл. 1 с ТА е означена околната температура, на редове 1-5 са кварцови резонатори, като този на ред 3 е с вграден термистор за поддържане чрез външна електронна схема на практически неизменна температура на кристала.

Керамични резонатори (Ceramic Resonator). Реализират се на основата на пиезоелектрична керамика, в която възникват механични трептения както в кварцовите резонатори. Аналогични са честотната зависимост на импеданса им и еквивалентната схема, което води и до същите схеми на свързване. Символичното означение, дългият експлоатационен срок и малката промяна на параметрите през него (Long-Term Stability – типично около ±0,5% на f_nom за 10 години) отново са както при кварцовите резонатори. Цената е по-ниска за сметка на по-големите f_tol и ТС, но те остават значително по-малки от тези на най-добрите LC трептящи кръгове. Основните параметри на характерни керамични резонатори са дадени на редове 6-8 в табл. 1.

Резонатори с повърхнинни акустични вълни (Surface Acoustic Wave Resonator, SAW Resonator). За тях няма еднозначно определен български термин, а се използва SAW резонатор и по-рядко ПАВ резонатор. В основата на структурата им е SAW филтър върху кварцов кристал с добавени отражатели от двете страни, благодарение на които между тях се получава стояща вълна и структурата действа като резонатор.

Първата разновидност (фиг. 2а) е двуполюсният резонатор (1 Port SAW Resonator) и той е по-масово използваният. Четириполюсният (2 Port SAW Resonator) има теснолентов филтър между отражателите и се ползва за по-високи честоти от двуполюсния. SAW резонаторите са предназначени за честотен обхват от 50 MHz до около 1 GHz, който практически не се покрива от предните два типа прибори. Стойностите на f_tol и ТС са от порядъка на тези в керамичните резонатори, а еквивалентната схема и тези на свързване заедно със символичното означение са както на кварцовите резонатори. Типичната промяна на f_nom във времето е около 10 ppm годишно. На редове 9-12 в табл.1 са дадени SAW резонатори, като серията на ред 10 съдържа 10 модела, резонаторът на ред 11 е част от серия с 18 модела с f_nom между 304,2 MHz и 434,15 MHz и този на ред 12 – от серия от 39 модела с f_nom между 100 и 460 MHz.

Осцилатори с външен резонатор
Практически са предназначени само за кварцови резонатори и са реализирани като CMOS схеми с изходен сигнал, представляващ правоъгълни импулси с коефициент на запълване 0,5. Основният им блок действа като буфер – на входа му е свързан резонаторът, а на изхода се получават импулсите с неговата честота.
На фиг. 3, която е блоковата схема на осцилатора на ред 1 в табл. 2, буферът е означен като OSCILLATOR. След него е изходното стъпало OUTPUT CONTROL с възможност за привеждане чрез вход CLKEN в състояние на висок импеданс и съответно прекратяване наличието на изходни импулси (означава се и като Enable и EN). Постояннотоковият стабилизатор REGULATION не е задължителен, но такъв съдържа и ИС на ред 4. Някои осцилатори изискват между всеки от изводите на резонатора и маса да се свържат кондензатори, което заедно с капацитетите им се дава в каталога. Има и разновидности (например тази на ред 4) с друго свързване на кондензаторите, към които е прибавен и резистор.

Специфични параметри са времето за поява на изходните импулси (Start-up time) T_ST след подаване на захранващото напрежение V_DD и относителната промяна Δf_nom/f_nom при изменение на V_DD с 1V (Voltage Coefficient) VC. За приложенията са съществени консумираният ток IDD, изходните напрежения V_oH и V_oL съответно на високото и ниското логическо ниво на изходните импулси и продължителностите t_r на предния и t_f на задния им фронт.

Осцилаторът на ред 2 (фирмено наименование Fanout Buffer) е с два входа за различни резонатори с честоти в границите на f_nom, като чрез логическото ниво на един от управляващите входове се избира сигналът от кой от тях ще се подаде на 8-те изхода. На допълнителен вход може да се подават импулси с честота до 200 MHz, които също се повтарят на изходите. Осцилаторът от ред 3 работи на третия хармоник на резонаторите и се предлага некорпусиран.
Характерни приложения на този вид осцилатори са във времезадаващи блокове на компютри и часовници за реално време (Real Time Clock), в портативни комуникационни устройства и комунални измервателни уреди (електромери, водомери и разходомери за газ).

Осцилатори с вграден резонатор
Предимството на обединяване на повече блокове на електронно устройство в една ИС е добре известно, но вграждането на резонатора в ИС на осцилатора води до загуба на принципната възможност на предния тип прибори да реализират точно определена f_nom. Реално това рядко е недостатък поради наличието на серии с голям набор от стойности на f_nom и определя по-големия относителен дял на осцилаторите с вграден резонатор. При ползването на каталози трябва да се има предвид, че обикновено се дава обхватът на f_nom на серията, а конкретните стойности на честотата могат да се получат от производителя. Най-простите разновидности в настоящия раздел не съдържат специални блокове за намаляване на влиянието на температурата върху f_nom и обикновено се означават като SPXO (от Simple Packaged Cristal Oscillator).

Специфичните параметри са съвкупност на тези на резонаторите и предния тип осцилатори, но към тях се прибавя джитерът (jitter) J с мерна единица ps - както е известно той представлява непрекъснатите нежелани промени на продължителността на импулсите и съответно периода (тяхното "трептене"). Параметърът стареене (Aging) представлява относителната промяна (в ppm) на f_nom след определено време на експлоатация (обикновено след първата година), при условие че осцилаторът работи при 25°С и номиналното V_DD. При разработката на устройства и избор на техния осцилатор трябва да се имат предвид напреженията на двете логически нива на изходните му импулси (например LVDS, LVPECL и т.н.). Без да е задължителна, осцилаторите често са с маркировка, подобна на дадената на фиг. 1а, като в много случаи те са с керамични корпуси поради познатите им предимства.

В табл. 3 са дадени основните параметри на осцилатори от този тип, като с керамичен корпус са приборите на редове 1, 3 и 4, а всички имат възможност за привеждане на изхода им в състояние на висок импеданс и съответно спиране работата на осцилатора. Част от моделите имат 2 или 3 разновидности с различен работен температурен обхват, но в табл. 3 е даден само най-широкият. Осцилаторът на ред 1 работи на основния и третия хармоник на резонатора и има разновидности с изходни импулси LVPECL и LVDS, докато стареенето на този на ред 2 не е параметър, а е включено в f_tol.

Значително по-малък е относителният дял на осцилаторите с повърхнинни вълни (SAW Oscillator), но те ползват предимството на вградените SAW резонатори за работа на по-високи честоти – типичните f_nom са между няколко стотици MHz и няколко GHz. Основен недостатък са стойностите на ftol от порядъка на ±100 ppm. Серията MN715 на API Technologies включва 28 модела с V_DD=8 V и fnom между 303,825 MHz и 1290 MHz при годишно стареене 10 ppm. Серията EG-9000GC на Epson Toyocom е със синусоидално изходно напрежение, стойности на fnom между 800 MHz и 2,5 GHz, f_tol=±150 ppm, работен температурен обхват -20ё+60°С и размери 10x10x2,8mm.

Съществуват приложения, например интерфейсът USB и бялата техника, които функционират нормално и със значително по-големи ТС, реализирани чрез осцилатори без резонатори. Техният относителен дял е сравнително малък, а пример е серията МАХ7394 на Maxim Integrated. Тя включва прибори с fnom между 922 kHz и 48 MHz при f_tol=±50ppm и Т_С=±1,8% за температурен обхват от -40 до +125°С при корпус μDFN. Също без резонатор е категорията на нискочестотните осцилатори (Low Frequency Oscillator) с fnom от няколко десетки mHz до около 1 kHz. Наричат се и нискочестотни импулсни генератори (Low Frequency Pulse Generator), чийто много малък коефициент на запълване δ определя по-популярното наименование таймери - продължителността на импулса t_i=δT е много по-малка от периода T=1/f_nom. Типичен пример е LTC6991 на Analog Devices с t_i=1 μs и Т между 1 ms и 9,54 h с възможност за програмиране на Т чрез външен резистор и вграден делител на честота. Захранването е U_DD=2,25-5,5 V с I_DD=80 mA при работен температурен обхват -55ё+125°С и размери 2,9х1,75х0,9 mm.

Микроелектромеханичните системи (MEMS), намиращи приложение в много области (напр. сензори), се използват и за реализацията на осцилатори. Сред причините за това са възможностите за работа в широк температурен обхват, създаване на серии с отношение на максималната към минималната f_nom над 10⁵ и малък джитер, като недостатък е по-сложната вградена електроника. Типични приложения на MEMS осцилаторите са системите за работа в тежки експлоатационни условия и автомобилите. В табл. 4 са дадени серии MEMS осцилатори, като специфична особеност на тази на ред 1 е наличието на един изход LVDS/LVPECL и втори CMOS. Серията на ред 2 освен модели с даденото V_DD има и такива за напрежения 2,5 V, 3 V и 3,3 V.

Предимствата на фазовата донастройка на честотата (Phase Locked Loop, PLL) са добре известни и съществуващият голям брой ИС на осцилатори на нейна основа надхвърля обема на статията. Затова ще бъде спомената само Si531 на Silicon Labs с изходи LVLECL, LVDS и CML за f_nom между 10 MHz и 1,4 GHz при ТС=±20ppm, а в следващ брой на списанието тези прибори ще бъдат представени по-пълно.

Осцилатори с повишена стабилност на честотата
Основните фактори за нежелана промяна на честотата по време на работата на осцилаторите са захранващото напрежение и температурата. Вече бе споменато за наличието на осцилатори с вграден постояннотоков стабилизатор, което практически отстранява влиянието на V_DD. За намаляване на влиянието на температурата съществуват три отдавна известни начини, които продължават да се използват в съвременните интегрални осцилатори.

Осцилатори с температурна компенсация (Temperature Compensated Crystal Oscillator) TCXO. Принципът на действието им е изяснен на фиг. 4, като кривата Oscillator characteristic е зависимостта на честотата на АТ кварцов резонатор от температурата, а Compensated voltage curve е изменението на компенсиращото напрежение. В ИС е вграден сензор за температура (например термистор), чийто сигнал чрез електронен блок създава компенсиращото напрежение и то чрез варикап променя честотата. Двете криви на фиг. 4 не са огледален образ една на друга и затова реално има промяната на честотата, но тя е около 20 пъти по-малка от тази на осцилатор без компенсация. Ползването на напрежение за компенсация определя и съкращенията VСТСХО и ТСVСХО (VС е от Voltage Controlled) за този тип осцилатори. Типични техни приложения са безжични комуникации, GPS, портативни прибори, измервателни и тестови системи.

Серията Model 520 на CTS Electronic Components има за изходно напрежение ограничена синусоида с честота между 10 и 52 MHz и ТС между ±0,5 и ±2,5 ppm при температурен диапазон -40ё+85°С и корпус 2.5x2x0,8 mm. Малко по-широк (10-55 MHz) е обхватът на серията TG2016SMN на Epson Electronics с f_tol=±0.5 ppm, минимално годишно стареене ±0,5 ppm, температурен обхват -40ё+85°С и размери 2х1,6х0,73 mm. Същият производител предлага RX8804СЕ под наименованието модул независимо от размерите му 3,2x2,5x1 mm. Освен основната честота 32,768 kHz със стабилност ±3,4 ppm в температурен обхват -40ё+85°С вграден блок позволява чрез интерфейса I2C да се установяват 1024 Hz и 1 Hz, както и работа като таймер с времена между 244 μs и 32 години. Захранващото напрежение е 1,6-5,5 V при консумация 0,4 μA. В съответствие с автомобилните стандарти е KT2016 Series на Kyocera отново за 10-50 MHz с f_tol между ±0.5 и ±2 ppm, годишно стареене ±1 ppm и максимален температурен обхват -30ё+85°С. За същия честотен обхват е серията XTCJH на Murata с f_tol=±1 ppm, TC=±0,5 ppm, годишно стареене не повече от ±1 ppm и температурен обхват -40ё+85°С.

Осцилатори с микрокомпютърна компенсация (Microcomputer Compensated Crystal Oscillator) MCXO. Техният изчислителен блок отчита температурната зависимост на честотата на кристала, с което се осигурява по-добра компенсация за сметка на усложнената структура на осцилатора. Пример е серията IQMT-100 на Integrated Device Technology с f_nom=10-50 MHz при f_tol=±0,5 ppm, TC между ±0,05 и ±05 ppm и годишно стареене ±1 ppm. Две от разновидностите на серията са с HCMOS изходни нива, всичките четири работят от -40°С до +85°С.

Осцилатори с вграден нагревател (Oven Controlled Crystal Oscillator, Oven Compensated Crystal Oscillator) OCXO. Ползват кварцове с SC срез (SC Quartz Crystal), тъй като при работата му над 80°С той е с най-малката позната зависимост на fnom от температурата. Същевременно, вграден в ИС електронен блок (нагревател) осигурява практически неизменна температура на кристала поне с 10°С по-висока от максималната работна температура на осцилатора. Резултатът е не по-малко от стотина пъти по-стабилна fnom (мерната единица на f_tol и Т_С е ppb) от тази на ТСХО, но за сметка на по-голяма консумирана енергия (вместо IDD се дава мощността PDD) и увеличени размери. Тези осцилатори са необходими на първо място в телекомуникационни системи за обмен на големи обеми данни на значителни разстояния.

Серията Model 149 на CTS Electronic Components е за f_nom между 10 и 50 MHz с Т_С между ±10 и ±100 ppb, като има минимален температурен обхват 0ё+50°С и максимален -40 до +85°С. При U_DD=+3,3V±5% и +5V±5% консумира P_DD=700 mW. Друг характерен пример е серията IQOV-164 на Integrated Device Technology с разновидности за синусоидално изходно напрежение и HCMOS импулси. Четирите разновидности на температурния обхват са от -10ё+50°С до -40ё+85°С при корпус 36,2х27,2х13 mm.

Осцилатори, управлявани с напрежение
Те съдържат кварцов или SAW резонатор, като чрез вграден електронен блок се осигурява линейна зависимост на честотата от подаваното му управляващо напрежение (Control Voltage). При това тяхната f_nom е при напрежение 0,5 СV, а максималните й изменения в двете посоки се определят от параметъра APR (от Absolute Pull Range) с мерна единица ppm и означаван като положителен при честоти над f_nom и отрицателен под тях. Следователно двете гранични честоти на обхвата на изменение са (1+APR)f_nom. Обикновено резонаторът е вграден (сред изключенията е осцилаторът от ред 4 в табл. 5) и когато е кварцов, означението на осцилатора е VСХО (от Voltage Controlled Crystal Oscillator), а при SAW то е VCSO (Voltage Controlled SAW Oscillator), като последните прибори работят до по-високи честоти. Приложенията на двете разновидности са за осигуряване работата на бързи АЦП и ЦАП, в безжичните комуникации и телекомуникационни мрежи, тестови и измервателни прибори.

Часовници за реално време
Този утвърден в практиката тип ИС (Real Time Clock) RTC използва единствено кварцови резонатори с честота 32,768 kHz, които може да са вградени в ИС на часовника или да се свързват външно. В първия случай параметър е относителната промяна Δf_CLK на честотата в работния температурен обхват, докато при външен резонатор Δf_CLK зависи от неговите параметри. В някои модели параметър е времето (Start Up Time) tST за започване на работа след подаване на захранващото напрежение V_DD. Практически задължителни са малките стойности на тока I_DD, особено съществени при часовниците с батерийно захранване. За двупосочен обмен на данни с външни устройства обикновено RTC имат вграден интерфейс с предпочитание към I²C със скорост на обмен 400 kbps. Някои производители предлагат серии RTC, част от моделите в които са за SPI, какъвто е даденият на ред 1 в табл. 6. Сред съществените особености на някои от RTC с мрежово захранване е възможността за свързване и на външна галванична батерия, акумулатор или суперкондензатор за запазване на работата им при отпадане на захранването. Значителна част от RTC са с допълнителни възможности за работа като таймери и задействане на аларми.

Даденият на ред 1 в табл. 6 прибор има изход за правоъгълни импулси с програмируема честота 1 Hz, 32 Hz, 1024 Hz и 32,768 kHz, даденият на ред 3 е в съответствие с автомобилния стандарт AEC-Q200, този на ред 4 има и “битова” разновидност за Т_А=0°Сё+70°С, часовникът на ред 5 е с вградена SRAM от 64В и фабрична цифрова донастройка на честотата, каквато донастройка има и RTC на ред 6.