Zrozumienie parametrów oscylatora krystalicznego pod kątem optymalizacji doboru komponentów

Charakterystyka oscylatorów krystalicznych

Podobnie, jak w przypadku wszystkich komponentów, parametry działania oscylatora krystalicznego są początkowo określane przez zestaw parametrów głównych. W kolejności znaczenia są to następujące parametry:

• Częstotliwość robocza: może się ona wahać od dziesiątek kiloherców (kHz) do setek megaherców (MHz). Oscylatory przeznaczone do pracy przy częstotliwościach przekraczających podstawowy zakres oscylatora, np. w zakresie gigaherców (GHz), zazwyczaj wykorzystują pętlę ze sprzężeniem fazowym (PLL) jako powielacz częstotliwości w celu przekonwertowania częstotliwości podstawowej w górę.
• Stabilność częstotliwości: to drugi kluczowy czynnik wpływający na parametry działania oscylatorów. Określa odchylenie częstotliwości wyjściowej od jej pierwotnej wartości, wywołane warunkami zewnętrznymi, a więc im mniejsza jest ta liczba, tym lepiej.

Jest wiele warunków zewnętrznych, które wpływają na stabilność, a wielu sprzedawców wymienia je indywidualnie, tak aby projektant mógł ocenić ich rzeczywisty wpływ w zastosowaniach. Wśród tych czynników są zmiany związane z temperaturą względem częstotliwości nominalnej w temperaturze 25⁰C. Inne czynniki obejmują stabilność długoterminową wywołaną starzeniem się, a także efekty lutowania, zmiany napięcia zasilania i zmiany obciążenia wyjściowego. W przypadku urządzeń o wysokiej wydajności, zwykle określa się to w częściach na milion (ppm) lub częściach na miliard (ppb) względem nominalnej częstotliwości wyjściowej.

• Szum i fluktuacje fazowe: to dwa spojrzenia na tę samą ogólną klasę parametrów działania. Szum fazowy charakteryzuje szum zegara w dziedzinie częstotliwości, natomiast fluktuacje dotyczą dziedziny czasu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Fluktuacje w dziedzinie czasu i szum fazowy w dziedzinie częstotliwości to dwie równie ważne interpretacje tych samych niedoskonałości. Preferowany widok jest funkcją zastosowania. (Źródło ilustracji: © ECS Inc. International)

W zależności od zastosowania projektant skupi się przede wszystkim na błędach określonych w jednej lub drugiej dziedzinie. Szum fazowy jest zwykle określany jako stosunek szumu w paśmie o szerokości 1Hz przy określonym przesunięciu częstotliwości, fm, do amplitudy sygnału oscylatora przy częstotliwości fO. Szum fazowy zmniejsza dokładność, rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu (SNR) w syntezatorach częstotliwości (ilustracja 3), natomiast fluktuacje powodują błędy synchronizacji, a tym samym wpływają na zwiększenie bitowej stopy błędów (BER) w łączach danych.

Ilustracja 3: Szum fazowy rozprasza widmo mocy oscylatora i ma negatywny wpływ na rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu (SNR). (Źródło ilustracji: © ECS Inc. International).

Fluktuacje czasowe powodują błędy czasu próbkowania w konwersjach analogowo-cyfrowych i tym samym wpływają na stosunek sygnału do szumu (SNR) oraz późniejszą analizę częstotliwości z użyciem szybkiej transformacji Fouriera (FFT).

Urządzenia z grupy standardowych oscylatorów MultiVolt (MV) firmy ECS Inc. są dostępne ze stabilnością wynoszącą nawet ±20ppm, podczas gdy oscylatory o wysokiej stabilności (SMV) oferują stabilność na poziomie zaledwie ±5ppm. Dla jeszcze wyższej stabilności urządzenia TCXO MultiVolt oferują wartość rzędu ±2,5ppm w przypadku wyjść HCMOS i ±0,5ppm w przypadku obciętej fali sinusoidalnej na wyjściu (zarówno TCXO, jak i obcięte fale sinusoidalne wyjaśniono poniżej).

Bez względu na dziedzinę szumy fazowe i fluktuacje są ważnymi czynnikami w projektach o wysokich parametrach i muszą być uwzględnione w budżecie błędów, jednocześnie pamiętając o potrzebach zastosowania. Należy pamiętać, że istnieje wiele rodzajów fluktuacji, w tym fluktuacje bezwzględne, fluktuacje międzycyklowe, zintegrowane fluktuacje fazowe, fluktuacje długoterminowe i fluktuacje okresowe. W przypadku szumu fazowego istnieją różne zakresy i rodzaje integracji, w tym szum biały i szumy w różnych „kolorach”.

Zrozumienie specyfiki zarówno fluktuacji, jak i szumu fazowego w oscylatorze oraz ich wpływu na zastosowanie często może stanowić wyzwanie. Trudno jest przekonwertować specyfikację z jednej dziedziny na drugą. Zamiast tego użytkownicy powinni zajrzeć do arkusza danych. Równie ważne jest zrozumienie uzasadnionych, lecz różnych definicji sprzedawców określających parametrów działania podczas uwzględniania tych błędów w ogólnym budżecie błędów.

Typ sygnału wyjściowego i sterowania: muszą być one dopasowane do podłączonego obciążenia (ilustracja 4). Dwie topologie sterowania wyjściowego to single-ended i różnicowa.

Ilustracja 4: Dostępne są różne formaty wyjściowe, które muszą być kompatybilne z konfiguracją obciążenia oscylatora. (Źródło ilustracji: © ECS Inc. International)