Monitorowanie czasu stanowi ważną funkcję większości gadżetów elektronicznych. Na rynku dominują w tej dziedzinie urządzenia kwarcowe głównie ze względu na ich wydajność w generowaniu stabilnych częstotliwości, zapewniających precyzyjną transmisję danych przy niskich kosztach. Rozwój technologii, takich jak 5G i Wi-Fi, zwiększa potrzebę doskonalenia jakości doświadczeń użytkowników końcowych. Z tego względu wybór odpowiedniego rozwiązania synchronizującego staje się koniecznością, która doskonale uzupełnia najnowocześniejsze aplikacje producentów oryginalnego sprzętu (OEM) i wymagania projektantów w zakresie wysokiej wydajności.
Najczęściej stosowanymi urządzeniami do pomiaru częstotliwości są kryształy kwarcowe i oscylatory. Kryształy to elementy pasywne i mogą działać tylko wtedy, gdy są podłączone do zewnętrznego obwodu oscylatora, zazwyczaj wykorzystywanego w większości mikroprocesorów. Oscylator, z kolei, nie wymaga zewnętrznych obwodów do działania. Składa się z rezonującego kryształu wraz z układem scalonym oscylatora, tworząc pojedyncze urządzenie. Oscylatory są najczęściej wybieraną metodą kontroli częstotliwości, ponieważ ich implementacja jako kompleksowego rozwiązania wymaga od użytkownika mniejszej wiedzy projektowej. Doświadczeni projektanci, posiadający specjalistyczną wiedzę w doborze kryształów, często preferują kryształy kwarcowe, co przekłada się na zoptymalizowaną wydajność.
Dobór odpowiedniego urządzenia częstotliwościowego, zapewniającego optymalną funkcjonalność, wymaga uwzględnienia czegoś więcej niż tylko rodzaju pracy. W dużej mierze zależy on od charakterystyki kryształów i oscylatorów, które zostaną omówione poniżej.
Czym charakteryzuje się dobry przekaźnik czasowy?
Częstotliwość pracy: W celu zoptymalizowania wydajności, każda aplikacja ma przypisany określony zakres częstotliwości pracy, co zapobiega nakładaniu się sygnałów. Częstotliwość 32,768 kHz pełni rolę wzorca czasu dla zegarków cyfrowych, podczas gdy 26 MHz jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania systemów GPS. W standardzie GSM stosuje się częstotliwość 13 Mhz, natomiast w przypadku identyfikacji radiowej (RFID) powszechnie stosuje się częstotliwość 13,56 MHz. Dobór urządzenia o częstotliwości, która odpowiada danemu zastosowaniu, jest kluczową kwestią przy wyborze kryształów i oscylatorów.
Stabilność częstotliwości: Każdy kryształ charakteryzuje się wewnętrzną częstotliwością rezonansową, wynikającą z jego naturalnych właściwości piezoelektrycznych. Stabilność częstotliwości to normalne odchylenie od częstotliwości nominalnej. Odchylenie to może wynikać z różnych czynników zewnętrznych, przeważnie z wahań temperatury, ale także z wahań napięcia zasilania, wartości pojemności obciążenia, a nawet nadmiaru ciepła na skutek lutowania.
Komponenty o mniejszej stabilności są starannie kalibrowane, aby zapewnić bardziej precyzyjne taktowanie w porównaniu do tych o szerszych zakresach stabilności. IQD oferuje szeroką gamę produktów, w tym oscylatory z kompensacją temperaturową (TCXO) o stabilności na poziomie ±0,05 ppm. Alternatywnie, opcje takie jak oscylator sterowany piecem IQOV-164 (OCXO) zapewniają stabilność w skali ±20 ppb.
Próg temperatury: Wpływ temperatury na wydajność urządzeń taktujących nie ma porównania z innymi czynnikami zewnętrznymi. Zmiany temperatury wywołują zmiany częstotliwości, określane terminem „stabilność częstotliwości”. Precyzja stabilności kwarcu jest ściśle związana z kątem, pod jakim pręt kwarcowy jest cięty podczas procesu produkcyjnego. Nawet niewielkie korekty kąta cięcia odgrywają kluczową rolę w wydajności w różnych zakresach temperatur.
Poniższa tabela zawiera zestawienie typowych zastosowań wraz z odpowiadającymi im zakresami temperatur pracy.
| Zastosowania | Zakres temperatury roboczej |
| Komercyjne, klasa motoryzacyjna 4 | Od 0 do 70ºC |
| Rozszerzone komercyjne | Od -20 do 70ºC |
| Przemysłowe, klasa motoryzacyjna 3 | Od -40 do 85ºC |
| Rozszerzone przemysłowe, klasa motoryzacyjna 2 | Od -40 do 105ºC |
| Klasa motoryzacyjna 1 | Od -40 do 125ºC |
| Wojskowe, klasa motoryzacyjna 0 | Od -55 do 125ºC |
Powszechnie stosowane modele IQXC-180 Auto, CFPX-180 i IQXC-42, zaprojektowane specjalnie do zastosowań motoryzacyjnych, charakteryzują się szerokim zakresem temperatur pracy od -40 do 125ºC oraz szeregiem innych węższych zakresów temperatur.
Szum fazowy i fluktuacja: Szum fazowy to przypadkowe zmiany fazy lub częstotliwości sygnału, potencjalnie powodujące zakłócenia dokładności, rozdzielczości i negatywnie wpływające na stosunek sygnału do szumu (SNR). Natomiast fluktuacje wprowadzają nieregularności w domenie czasowej sygnału, przyczyniając się do bitowej stopy błędów (BER). Aby uzyskać optymalną wydajność, należy priorytetowo traktować urządzenia czasowe o niskim poziomie szumu fazowego i fluktuacji, zwłaszcza w krytycznych zastosowaniach, takich jak nawigacja, komunikacja cyfrowa, przetwarzanie dźwięku i technologia radarowa.
Wymiar obudowy: Rozmiar obudowy komponentów ma istotne znaczenie w kontekście projektowania obwodów drukowanych (PCB). W erze coraz mniejszych gadżetów konsumenckich wybór komponentów wewnętrznych o odpowiednich rozmiarach staje się niezwykle ważny. Chociaż kryształy są mniejsze od oscylatorów, wymagają dodatkowych kondensatorów i obwodów do wygenerowania impulsu taktującego. W warunkach, w których przestrzeń jest czynnikiem ograniczającym w projektowaniu obwodów, oscylatory stają się preferowaną opcją, zapewniając pakiet typu „wszystko w jednym”.
Dostępne w ofercie IQD kryształy i oscylatory są hermetycznie zamknięte, co zwiększa ich wytrzymałość. Komponenty te są umieszczone w obudowach do montażu powierzchniowego (SMD) o wymiarach 1,6 × 1,0 mm i 1,6 × 1,2 mm, a także w obudowie o standardowym rozmiarze przemysłowym 2,0 × 1,6 mm.
Typ sygnału wyjściowego oscylatora: Producenci zestawów układów scalonych decydują o wyborze odpowiedniego wejścia dla swoich urządzeń taktujących. Sygnał wyjściowy oscylatora może być jednofazowy lub różnicowy. Wyjścia jednofazowe znajdują zastosowanie przy częstotliwościach poniżej około 100 MHz, podczas gdy wyjścia różnicowe są stosowane przy wyższych częstotliwościach w celu zmniejszenia ogólnego szumu systemu.
Aby uniknąć problemów związanych z amplitudą sygnału, czasem narastania i opadania, cyklem pracy i czasem rozruchu, niezbędne jest zapewnienie zgodności sygnału wyjściowego oscylatora z odpowiednim obciążeniem. Oto typowe typy wyjść jednofazowych oscylatorów:
• CMOS (komplementarny półprzewodnik tlenku metalu)
• HCMOS (szybki CMOS)
• LVCMOS (niskonapięciowy CMOS)
Wyjścia różnicowe, choć bardziej skomplikowane w konstrukcji, zapewniają doskonałą wydajność w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, ponieważ wszelkie szumy sygnału różnicowego są niwelowane. Wśród różnych typów sygnałów różnicowych wyróżnia się:
• PECL (logika o dodatnim sprzężeniu emiterowym)
• LVPECL (niskonapięciowa logika o dodatnim sprzężeniu emiterowym)
• CML (logika trybu prądowego)
• LVDS (niskonapięciowe sygnały różnicowe)
• HCSL (logika sterująca prądem o wysokiej prędkości)
Niskie zużycie energii przez oscylatory: Wiele oscylatorów jest wyposażonych w pin włączający/wyłączający, który ma szczególne znaczenie dla ich funkcjonalności. Gdy oscylator jest wyłączony, wewnętrzny mechanizm przestaje działać, przechodząc w tryb czuwania o zmniejszonym poborze prądu. Takie rozwiązanie jest szczególnie użyteczne w przypadku niewielkich urządzeń zasilanych bateryjnie, w których liczy się wydajność energetyczna. Z tego względu oscylatory zoptymalizowane pod kątem zasilania niskim napięciem są preferowanymi komponentami, gdy liczy się niski pobór mocy.
Opłacalność: Wybór układu z pojedynczym kryształem jest zazwyczaj bardziej opłacalny niż zastosowanie oscylatora. Jednak biorąc pod uwagę zarówno koszty inżynieryjne, jak i koszty części, oscylatory mogą okazać się bardziej ekonomiczną opcją w projektowaniu obwodów. Należy pamiętać, że w niektórych zastosowaniach decyzja o użyciu kryształów może wiązać się z wyższymi kosztami, zwłaszcza jeśli usługi i testy są powierzane firmom zewnętrznym. Oprócz początkowych kosztów komponentów dodatkowe wydatki mogą wynikać z zastosowanych komponentów uzupełniających, takich jak kondensatory i rezystory, a także procesów, takich jak aktualizacja PCB w celu zwiększenia wydajności sygnału.
Kryształy kwarcowe znajdują zastosowanie w sytuacjach, w których producenci opracowują własne oscylatory elektroniczne, co pozwala na elastyczność w optymalizacji parametrów na potrzeby konkretnych projektów. Z drugiej strony, oscylatory mają przewagę w usprawnianiu zestawienia materiałów (BOM) i oszczędności miejsca na płytce drukowanej. Ostatecznie, przy podejmowaniu decyzji związanych z kosztami należy kierować się jakością aplikacji i skalą produkcji.
Najczęściej zadawane pytania
Funkcję rezonansową kryształu kwarcu uzyskuje się poprzez cięcie go w odpowiednim kierunku w stosunku do osi krystalograficznej pręta kwarcowego. Oś ta określa współrzędne sieci krystalicznej. Otrzymuje się w ten sposób ciętą płytkę kryształu, która jest umieszczana między dwiema elektrodami, aby ułatwić przepływ napięcia przemiennego. Właściwości piezoelektryczne kryształu powodują, że ulega on mechanicznemu przesunięciu i wibruje pod wpływem doprowadzonego napięcia.
Gdy częstotliwość doprowadzonego napięcia zrówna się z rezonansem mechanicznym kryształu, amplituda drgań wzrasta. Powoduje to wzrost prądu towarzyszącego, co prowadzi do zmniejszenia efektywnej impedancji urządzenia. Jednocześnie wzrasta prąd przesunięcia, przyczyniając się do dalszego spadku impedancji efektywnej. Gwałtowna zmiana impedancji, związana ze zmianami napięcia i częstotliwości rezonansowej, ma kluczowe znaczenie dla wykorzystania kryształów kwarcu jako elementów sterujących częstotliwością w oscylatorach krystalicznych.
Z kolei działanie oscylatorów wykorzystuje inny mechanizm niż w przypadku kryształów, a mianowicie odwrotny efekt piezoelektryczny. Przyłożone pole elektryczne wywołuje mechaniczne odkształcenie niektórych materiałów, wykorzystując rezonans wibrującego kryształu do wygenerowania sygnału elektrycznego o określonej częstotliwości. Podstawowa różnica polega na tym, że kryształy nie są z natury tak wielofunkcyjne, jak oscylatory; kryształ służy raczej jako element w konstrukcji oscylatora.
Czas rozruchu oscylatorów to czas potrzebny oscylatorowi do osiągnięcia częstotliwości rezonansowej po początkowym podłączeniu zasilania. Idealnym rozwiązaniem jest zminimalizowanie czasu rozruchu oscylatorów do kilku milisekund (ms).
Czas rozruchu jest częściej występującym problemem w przypadku kryształów o niskiej częstotliwości w porównaniu do ich odpowiedników o wysokiej częstotliwości. Na czas rozruchu wpływa przede wszystkim czas narastania napięcia zasilającego. Szybszy czas narastania powoduje szybszy czas rozruchu w porównaniu do kryształu o wolniejszym czasie narastania. Czas rozruchu może także powodować niewystarczające wzmocnienie pętli.
Chcesz dowiedzieć się więcej o kryształach i oscylatorach? Posłuchaj drugiego odcinka podcastu KnowHow dostępnego poniżej, w którym rozmawiamy z dyrektorem technicznym IQD, Nickiem Ameyem. Alternatywnie, przeczytaj nasz artykuł.
Artykuł został przygotowany przez zespół wsparcia aplikacji w IQD Frequency Products.
