Dai circuiti RC agli orologi atomici: tutte le fonti di orologeria

In quasi tutti i circuiti moderni, specialmente quando è coinvolta l'elettronica digitale, troverai qualche tipo di fonte di clock. Tutte le fonti di clock presentano una serie di compromessi riguardo stabilità, affidabilità, dimensioni, consumo di energia e costo.

Fortunatamente per noi, tali compromessi sono relativamente semplici e possono essere spiegati quasi completamente in questo singolo articolo. Discuteremo i pro e i contro di ogni fonte di clock, dall'RC in un oscillatore alimentato da 555, fino a un orologio atomico a maser all'idrogeno.

Iniziamo!

Fonti di Relaxation e Ritardo

Relaxation RC

Gli oscillatori di relaxation sono composti da un dispositivo di commutazione (solitamente BJTs, JFETs, Mosfets o porte digitali) e un condensatore per immagazzinare carica. Il condensatore viene caricato fino a un livello di tensione definito, poi lo stato del dispositivo cambia e il condensatore si scarica. Il circuito oscilla tra lo stato di carica e quello di scarica.

Gli oscillatori di relaxation non producono segnali sinusoidali. Invece, producono segnali a dente di sega e onde quadre.

Un esempio tipico dell'oscillatore di relaxation RC è il famoso NE555. I parametri per questo tipo di oscillatore possono essere trovati di seguito.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-2 a 10^-3
Sintonizzabilità	oltre 10:1
Intervallo di frequenza	Hz a decine di Mhz
Costo	Estremamente basso

 

Oscillatori a Ritardo e Sfasamento di Fase

 

Il requisito per far oscillare un circuito analogico è uno sfasamento di fase di 180 gradi a guadagno unitario in un anello di retroazione. Una serie di elementi RC può spostare la fase di un segnale fino allo sfasamento necessario di 180 gradi per ottenere l'oscillazione.

Si può ottenere lo stesso effetto con qualsiasi dispositivo che fornisca un ritardo adeguato nel segnale, per esempio, un gruppo di porte NOT in serie o una bobina di filo abbastanza lunga per fare il lavoro.

Gli oscillatori a ritardo di solito hanno una stabilità inferiore rispetto ad altri tipi di oscillatori, tanto che i produttori di semiconduttori li usano per testare i wafer, dato che la loro performance è fortemente dipendente dalla temperatura.

Spesso, le porte NOT collegate in serie sono così instabili che si possono usare le fluttuazioni di frequenza dell'oscillatore come un generatore di numeri casuali veri.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-2 a 10^-3
Sintonizzabilità	10:1 o meno
Gamma di frequenza	10Mhz a centinaia di Mhz
Costo	Estremamente basso quando parte di un altro IC

 

Risonatori

 

Quando si considerano le fonti di rilassamento e ritardo, più alta è la loro frequenza nominale, più impraticabile diventa il design.

Un risonatore è un dispositivo o sistema che mostra un comportamento risonante, oscillando con ampiezza maggiore a certe frequenze. In molti tipi di risonatori, queste frequenze tendono ad essere relativamente strette e stabili, rendendoli eccellenti oscillatori.

I risonatori possono risonare a causa delle loro proprietà elettriche (per esempio, risonatori LC), proprietà elettromeccaniche (per esempio, ceramica, cristalli e MEMS), propagazione di onde elettromagnetiche, o persino proprietà atomiche per gli orologi atomici.

Quasi tutto può essere un risonatore, dagli grattacieli alla cavità polmonare. Se lo desideri, potresti usare un pendolo come tua prossima fonte di orologio, ma per questo articolo, limiteremo l'ambito ai risonatori ampiamente utilizzati nell'industria elettronica per generare un segnale di orologio.

Risonatori LC

I resonatori LC erano il tipo di oscillatori più diffuso quando il mondo si affidava a radio wireless che operavano sotto i pochi centinaia di megahertz.

Consistono in qualche tipo di rete LC connessa a un amplificatore, con quest'ultimo che fornisce feedback positivo. I tipi più comuni di oscillatori LC sono Colpitts e Hartley.

I resonatori LC sono solo moderatamente sintonizzabili. Le prime radio utilizzavano induttori variabili o condensatori variabili, ma se l'obiettivo è modificare la frequenza elettronicamente, l'unico modo pratico è cambiare il ‘C’ in LC. Il trucco consiste nell'usare una giunzione di diodo polarizzata inversamente che mostra una capacità di polarizzazione inversa dipendente dalla tensione.

Dei diodi appositamente progettati, chiamati varactor, sono sintonizzati per coprire fino a un rapporto di 15:1 in capacità. Un varactor può essere trasformato in un eccellente convertitore tensione-capacità posizionando un condensatore in serie con esso per eliminare la corrente di polarizzazione inversa DC.

Parametro	Valore
Stabilità (più basso è meglio)	10^-3 a 10^-5
Sintonizzabilità	modesta
Gamma di frequenza	Khz a centinaia di Mhz
Costo	basso

 

Cristalli/XTAL

 

Gli oscillatori RC con componenti ben selezionati possono avere una stabilità dello 0,1%. Gli oscillatori LC si comportano un po' meglio, intorno allo 0,01%. I cristalli possono fare molto, molto meglio, come vedremo a breve.

La funzionalità degli oscillatori a cristallo è grazie all'effetto piezoelettrico e al risultante effetto piezoelettrico inverso. Quando un materiale piezoelettrico è stimolato meccanicamente, produce un segnale elettrico. Viceversa, una stimolazione elettrica nello stesso materiale genererà movimenti meccanici.

Se un materiale piezoelettrico è tagliato in una forma appropriata e due elettrodi sono applicati ad esso, è possibile creare un'onda sonora stimolandolo elettricamente. L'onda sonora si propagherà avanti e indietro, generando anche una tensione. L'effetto piezoelettrico è stato documentato per la prima volta a metà del XVIII secolo.

Un oscillatore a cristallo può, in generale, essere modellato elettricamente come una resistenza, un'induttanza e un condensatore in serie, con un ulteriore condensatore in parallelo alla serie RLC a causa della capacità parassita dei contatti placcati e dei terminali del componente.

Tutti i cristalli non hanno una sola modalità di risonanza, ma due: serie e parallela.

In modalità risonante in serie, C1 e L1 risuonano, e C0 non è coinvolto nel processo. In modalità risonante in parallelo, C0 e C1 risuonano insieme a L1.

Ogni volta che si utilizza un CI che richiede un oscillatore a cristallo, si dovrebbe verificare se il produttore ha specificato per quale modalità risonante è stato specificato il componente, in serie o in parallelo. Le loro frequenze di risonanza saranno diverse.

In modalità risonante in parallelo, è possibile modificare il valore di C0 posizionando un secondo condensatore in parallelo. Gli oscillatori a cristallo controllati in tensione, o VCXO, sono spesso creati con un varactor in parallelo al cristallo principale.

Parametro	Valore
Stabilità (più bassa è meglio)	10^-5
Sintonizzabilità	10^-4
Gamma di frequenze	Da decine di Khz a decine di Mhz
Costo	medio

 

Risonatori Ceramici (da non confondere con gli Oscillatori SAW)

 

Similmente ai cristalli, i risonatori ceramici sono dispositivi piezoelettrici, ma invece di essere fatti di quarzo, sono fatti di ceramica.

I risuonatori ceramici hanno proprietà elettriche simili agli oscillatori al quarzo, ma sono meno precisi (tipicamente con una precisione iniziale della frequenza dello 0,3%) e hanno una stabilità scadente (0,2-1% nel tempo e con la temperatura). La buona notizia? Costano pochissimo!

I risuonatori ceramici colmano una nicchia altrimenti vuota tra gli oscillatori a cristallo e RC, e sono spesso elettricamente compatibili con i primi.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-5
Sintonizzabilità	10^-4
Gamma di frequenza	Decine di Khz a decine di Mhz
Costo	basso-medio

TCXO

 

Gli Oscillatori a Cristallo Compensati in Temperatura (TCXO) rappresentano un miglioramento rispetto ai cristalli standard e sono spesso necessari quando si necessita di una frequenza stabile su un ampio intervallo di temperature, ad esempio su intervalli di temperatura industriali o automobilistici, specialmente quando si utilizza un RTC (Orologio in Tempo Reale).

Essi includono circuiti attivi che compensano la deviazione di temperatura della frequenza, solitamente utilizzando la modalità di risonanza parallela e cambiando la capacità del condensatore equivalente parallelo C0 con un varactor, come descritto precedentemente.

I modelli più sofisticati includono un microprocessore, circuiti analogico-digitali e una tabella di ricerca, e possono presentare fino a 1ppm di variazione di frequenza in dieci anni.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-6 a 10^-7
Sintonizzabilità	10^-4
Gamma di frequenza	Decine di Khz a decine di Mhz
Costo	medio

 

OCXO

 

Gli Oscillatori a Cristallo Controllati da Forno (OCXO), possono raggiungere la massima stabilità di frequenza possibile con un oscillatore a cristallo, anzi la massima stabilità di frequenza possibile senza ricorrere a fonti atomiche in un modo o nell'altro.

In un OCXO, un particolare tipo di cristallo che presenta un coefficiente di temperatura nullo a una specifica temperatura, solitamente tra 80 e 90 gradi celsius, è mantenuto riscaldato da un forno controllato elettronicamente. In questo modo, il coefficiente di temperatura è annullato in due modi diversi: stabilizzando la temperatura il più possibile e operando in un regime dove è zero in primo luogo.

Gli OCXO, specialmente quelli più grandi che possono permettersi un'ulteriore isolamento termico, sono così efficaci nel correggere le deviazioni di temperatura che l'errore primario rimanente è l'invecchiamento del cristallo. Alcuni OCXO incorporano addirittura un microcomputer per compensare l'invecchiamento utilizzando algoritmi sofisticati; tuttavia, saranno sempre soggetti a deriva a causa di shock meccanici e altri stimoli fisici imprevedibili.

Lo svantaggio nell'uso degli OCXO è l'alto costo e il consumo elevato di temperatura a causa del riscaldatore.

Parametro	Valore
Stabilità (più basso è meglio)	10^-8 a 10^-9
Sintonizzabilità	10^-4
Gamma di frequenza	10Mhz tipicamente
Costo	alto

 

MEMs

 

I MEMs, o dispositivi micromeccanici, sono solitamente fabbricati in silicio utilizzando processi simili a quelli usati nella produzione di circuiti integrati.

Attualmente, l'oscillatore a cristallo più piccolo è il FCX-08 di River Electronics, con dimensioni di 1.2×1.0mm. Anche se il cristallo all'interno è più piccolo, per mantenere buone specifiche nel tempo i cristalli richiedono protezione dalla contaminazione ambientale e dall'aria attraverso un imballaggio sigillato, sia mediante saldatura (per i modelli "grandi ed economici") che mediante saldatura a fascio di elettroni (più piccoli ma più costosi).

Gli oscillatori MEMs possono essere molto più piccoli degli oscillatori a cristallo. Le ultime generazioni di iPhone utilizzano oscillatori MEMs prodotti da SiTime, che misurano solo 0,42x0,42mm e sono disponibili in pacchetti a livello di wafer.

Gli MEMs spesso hanno un consumo energetico inferiore rispetto agli oscillatori a cristallo.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-5
Sintonizzabilità	10^-4
Gamma di frequenze	Da decine di Khz a decine di Mhz
Costo	alto

 

SAW

 

Gli oscillatori a onda acustica superficiale (SAW) funzionano in modo alquanto simile agli oscillatori a cristallo. Invece di un'onda volumetrica che flette e muove l'intero cristallo, gli oscillatori SAW utilizzano onde superficiali. Di solito hanno un trasduttore di ingresso e un trasduttore di uscita, e si comportano in modo simile a linee di ritardo analogiche.

I SAW sono solitamente prodotti in ceramica e non in quarzo, sebbene esistano modelli in quarzo.

I SAW possono raggiungere frequenze fino a centinaia di MHz, molto più alte delle decine di megahertz dei cristalli.

I SAW possono essere una fonte di orologio a basso costo valida per frequenze RF comuni come 433Mhz. I valori meno comuni tendono ad essere più costosi, spesso più di un cristallo e di un IC PLL.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-4
Sintonizzabilità	10^-4
Gamma di frequenza	Centinaia di Mhz
Costo	medio

Risonatori a cavità

 

I risonatori a cavità sono tipicamente usati a frequenze microwave, e l'esempio più comune è il magnetron a cavità presente nei microonde.

Il loro uso è limitato ad applicazioni RF ad alta potenza, quindi non ne discuteremo ulteriormente.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-5
Sintonizzabilità	solo meccanica
Gamma di frequenza	Ghz a decine di Ghz
Costo	alto

 

Risonatori dielettrici

 

I risuonatori dielettrici sono pezzi di materiali dielettrici, solitamente titanato di bario o una ceramica simile, e vengono utilizzati per sostituire gli oscillatori a cavità. Puoi incollare i risuonatori dielettrici alle PCB RF in modo simile ai componenti a montaggio superficiale. Vengono utilizzati, ad esempio, nel popolare modulo Doppler HB100.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-4
Sintonizzabilità	solo meccanica
Gamma di frequenza	Ghz a decine di Ghz
Costo	medio

Orologi Atomici

 

Se un oscillatore a cristallo OCXO non è sufficientemente stabile e preciso, gli orologi atomici possono essere più piccoli e più accessibili di quanto si possa pensare.

Rubidio

Gli orologi atomici al rubidio sono gli orologi atomici più accessibili disponibili. Una lampada a scarica di rubidio (simile a una piccola lampada al mercurio, come quelle che illuminano le strade) ridurrà la sua emissione luminosa di circa lo 0,1% quando il suo vapore di rubidio è esposto a un campo elettromagnetico a una frequenza vicina a quella della sua transizione iperfine, 6.834,682,612 GHz.

La frequenza del campo a microonde è sintetizzata dall'oscillatore a cristallo da 10Mhz presente in ogni orologio al rubidio. Quando la luce diminuisce, il microcontrollore sa che la frequenza è esattamente di 6,834,682,612 GHz e può correggere di conseguenza l'oscillatore a cristallo.

Gli orologi al rubidio sono diventati sempre più piccoli nel corso degli anni e ora sono disponibili in confezioni simili ai convertitori DC-DC e con pesi di poco superiori ai 30g.

Parametro	Valore
Stabilità (più bassa è meglio)	10^-10
Sintonizzabilità	-
Intervallo di frequenza	Solo 10Mhz
Costo	200-2000USD

 

Oscillatori disciplinati da GPS/GNSS

 

Il ricevitore GPS presente nei vostri telefoni funziona confrontando attentamente il tempo di arrivo dei segnali da diversi satelliti e triangolando la propria posizione.

Per realizzare un'impresa del genere, i satelliti devono avere a bordo orologi atomici estremamente precisi. I satelliti GPS di solito hanno Orologi Atomici al Rubidio, mentre il sistema Galileo più moderno ha una combinazione di Orologi Atomici al Rubidio e Maser all'Idrogeno ridondanti e può raggiungere una stabilità ancora maggiore.

In entrambi i casi, i segnali dai satelliti sono confrontati da team di esperti con reti di orologi atomici a terra e corretti più volte al giorno.

Di conseguenza, il sistema GPS ha una incredibile stabilità a lungo termine. Sfortunatamente, a causa delle interferenze atmosferiche, la stabilità a breve termine non è altrettanto buona.

TXCO e OCXO, spesso con un fallback al rubidio, possono essere sincronizzati al segnale GPS per ottenere una combinazione di stabilità a breve e lungo termine, a un costo ragionevolmente basso.

Inoltre, il GPS ti fornirà la data e l'ora, non solo il segnale orario, funzionando quindi sia come orologio che come RTC (Real Time Clock).

Parametro	Valore
Stabilità (più basso è meglio)	10^-13 (a lungo termine)
Sintonizzabilità	-
Gamma di frequenza	Solo 10Mhz
Costo	50-2000USD

Cesio, Maser a Idrogeno e Altri Costosi Orologi Atomici

 

Un Maser a Idrogeno probabilmente ti costerà oltre centomila dollari, ma gli Orologi Atomici al Cesio sono diventati più economici e ora si trovano abitualmente in molti data center di dimensioni ragionevoli. Molti data center non possono utilizzare oscillatori disciplinati dal GPS, poiché sono sensibili al jamming e potrebbero smettere di funzionare se gli Stati Uniti dichiarassero guerra.

Il Maser all'Idrogeno è l'unico oscillatore "reale e diretto" tra tutti gli orologi atomici disponibili commercialmente e, come tale, è estremamente affidabile anche a breve termine, mentre il Cesio e l'Idrogeno hanno ancora bisogno di avere qualche tipo di oscillatore secondario all'interno sincronizzato con il riferimento temporale primario.

Parametro	Valore
Stabilità (minore è meglio)	10^-14 per H Maser
Sintonizzabilità	-
Gamma di frequenza	Solo 10Mhz
Costo	5000-500000USD

Conclusioni

 

Abbiamo discusso tutte le fonti di orologio disponibili sul mercato. Speriamo che questo articolo vi abbia lasciato una migliore comprensione dei pro e dei contro di ogni soluzione.

Le fonti di orologio sono il raro tipo di componenti la cui scelta può avere profonde implicazioni sulla stabilità e sulle prestazioni del vostro sistema, specialmente quando si integrano più sottocircuiti da un unico segnale di orologio, o si comunica con risorse esterne. Ad esempio, qualsiasi dispositivo moderno che comunica attraverso protocolli crittografati come TLS, o altri schemi di crittografia a chiave pubblica/privata, deve avere una tenuta precisa del tempo. Perderla, e il vostro dispositivo non sarà più in grado di comunicare con i server.Allo stesso modo, orologi RC imprecisi nei progetti digitali analogici possono alterare le prestazioni dei collegati ADC e DAC, in particolare gli ADC SAR (Successive Approximation Register) e gli ADC e DAC Delta-sigma.

Inoltre, le fonti di orologio possono spesso essere dispositivi capricciosi. Usare il condensatore sbagliato per compensare un cristallo di quarzo, o semplicemente sceglierne uno con un alto coefficiente di temperatura, e il tuo dispositivo oscillerà tra guasto e inaffidabile.

Selezionare e monitorare con precisione i componenti, assicurando che solo l'oscillatore appropriato e il condensatore appropriato siano montati sulle tue schede è di massima importanza. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario fare due cose.

• Assicurare una corretta gestione delle revisioni e del rilascio dei tuoi progetti.
• Assicurare che ogni componente sia adeguatamente identificato nel BOM.

Concord Pro®, in particolare quando ospitato in Altium 365® con accesso completo ai dati di Octopart, si prende cura di entrambi.

In questo esempio, ho cercato uno dei miei cristalli preferiti, l'ABM3B-16.000MHZ-B2-T di Abracom, nel pannello di ricerca dei componenti del produttore (angolo in basso a destra in Altium Designer®). Come potreste aver osservato, il componente include già impronta, simbolo, datasheet, descrizioni complete, e numero di parte del produttore. Con tre clic (tasto destro, acquisisci, OK) il componente può essere importato nel tuo server Concord Pro e unirsi ai suoi fratelli e sorelle nella tua libreria.

Il componente posizionato sul tuo schema sarà ora identificato da una singola coppia Produttore/MPN. Se desideri aggiungere ulteriori parti alternative, ciò può essere fatto attraverso la sezione Scelte Parti mentre modifichi il componente.

Il tuo progetto dovrà essere gestito anche per garantire una completa tracciabilità come discusso in un articolo precedente. In questo esempio, migrare il progetto del Fan Controller di Mark Harris al cloud richiede solo un paio di clic.

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