RCから原子時計まで：すべてのクロックソース

ほとんどの現代の回路、特にデジタル回路が関与する場合には、何らかのクロック源が見られます。すべてのクロック源には、安定性、信頼性、サイズ、消費電力、およびコストに関して一連のトレードオフが存在します。

幸いなことに、これらのトレードオフは比較的単純で、この1つの記事内でほぼ完全に説明できます。RCが555駆動のオシレーターに使われるものから、水素メーザー原子時計に至るまで、各クロック源の長所と短所について議論しましょう。

さあ、始めましょう！

リラクゼーションと遅延源

RCリラクゼーション

リラクゼーション発振器は、スイッチングデバイス（通常はBJT、JFET、Mosfet、またはデジタルゲート）と、電荷を蓄えるためのキャパシタで構成されています。キャパシタは定義された電圧レベルまで充電され、その後デバイスの状態が変化し、キャパシタが放電されます。回路は充電状態と放電状態の間で振動します。

リラクゼーション発振器は正弦波信号を生成しません。代わりに、のこぎり波と方形波を生成します。

RCリラクゼーション発振器の典型的な例は、有名なNE555です。このタイプの発振器のパラメータは以下に記載されています。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-2 から 10^-3
調整可能性	10:1 以上
周波数範囲	Hz から 数十Mhz
コスト	非常に低い

 

遅延および位相シフト発振器

 

アナログ回路を発振させるための要件は、フィードバックループ内での一位相ゲインにおける180度の位相シフトです。一連のRC要素を使用して、信号の位相を必要な180度シフトさせ、発振を実現できます。

同じ効果は、信号に適切な遅延を提供する任意のデバイスで得ることができます。例えば、直列に接続されたNOTポートの束や、仕事をするのに十分な長さのワイヤースプールなどです。

遅延発振器は通常、他のタイプの発振器と比較して安定性が劣ります。そのため、半導体メーカーは、その性能が大きく温度依存するため、ウェハーをテストするためにこれらを使用します。

しばしば、直列に接続されたNOTポートは非常に不安定であるため、発振器の周波数変動を真の乱数生成器として使用できます。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-2 から 10^-3
調整可能性	10:1 以下
周波数範囲	10Mhz から 数百Mhz
コスト	他のICの一部としては極めて低い

 

共振器

 

リラクゼーションと遅延源を考慮する際、その公称周波数が高いほど、設計は非現実的になります。

共振器は、共振挙動を示すデバイスまたはシステムであり、ある周波数でより高い振幅で振動します。多くの種類の共振器では、これらの周波数は比較的狭く安定しているため、優れた発振器となります。

共振器は、その電気的特性（例えば、LC共振器）、電気機械的特性（例えば、セラミックス、クリスタル、MEMS）、電磁波の伝播、または原子時計のための原子特性によって共振することができます。

高層ビルからあなたの肺の空洞まで、ほとんどすべてが共振器になり得ます。もしそう望むなら、次の時計の源として振り子を使用することもできますが、この記事では、電子業界でクロック信号を生成するために広く使用されている共振器に焦点を当てます。

LC共振器

LC共振器は、数百メガヘルツ未満の無線ラジオが世界を支配していた時代に、最も広く採用されていたオシレーターの種類でした。

これらは、何らかのLCネットワークが増幅器に接続されており、増幅器が正のフィードバックを提供します。LCオシレーターの最も一般的なタイプは、コルピッツとハートレー

です。LC共振器は、わずかに調整可能です。初期のラジオでは可変インダクタまたは可変キャパシタが使用されていましたが、電子的に周波数を微調整することが目的の場合、実用的な方法はLCの「C」を変更することだけです。トリックは、電圧依存型の逆バイアス容量を示す逆極性ダイオード接合部を使用することです。

特別に設計されたダイオードであるバラクタは、容量で最大15:1の比率をカバーするように調整されています。バラクタは、DC逆バイアス電流を排除するためにそれと直列にキャパシタを配置することで、優れた電圧-容量変換器に変換することができます。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-3から10^-5
調整性	控えめ
周波数範囲	キロヘルツから数百メガヘルツ
コスト	低

 

クリスタル/XTAL

 

適切に選択されたコンポーネントを持つRC発振器は、0.1%の安定性を持つことができます。LC発振器は少し良く、約0.01%です。クリスタルは、これからすぐに見るように、はるかに優れた性能を発揮することができます。

クリスタル発振器の機能は、圧電効果とそれに伴う逆圧電効果のおかげです。圧電材料が機械的に刺激されると、電気信号を生成します。逆に、同じ材料に電気刺激を与えると、機械的な動きを生成します。

圧電材料を適切な形状に切断し、それに二つの電極を適用すると、電気的に刺激することで音波を生成することができます。音波は往復して伝播し、同時に電圧も生成します。圧電効果は18世紀半ばに初めて文書化されました。

一般的に、クリスタル発振器は電気的には、抵抗、インダクタンス、およびキャパシタンスを直列に、さらにはメッキされた接点とコンポーネントのリードの寄生容量による並列キャパシタンスを持つRLC直列としてモデル化することができます。

すべてのクリスタルには、一つではなく二つの共振モードがあります：直列と並列。

直列共振モードでは、C1とL1が共振し、C0はプロセスに関与しません。並列共振モードでは、C0とC1がL1と共に共振します。

クリスタル発振器が必要なICを使用する場合は、その部品が直列共振モードか並列共振モードのどちらで指定されているか、メーカーが指定しているかどうかを確認する必要があります。それらの共振周波数は異なります。

並列共振モードでは、C0の値を変更するために、2番目のキャパシタを並列に配置することができます。VCXO、または電圧制御型クリスタル発振器は、主要なクリスタルに並列にバラクタを配置して作成されることがよくあります。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-5
調整可能性	10^-4
周波数範囲	数十kHzから数十MHz
コスト	中

 

セラミック共振器（SAW発振器と混同しないでください）

 

クリスタルと同様に、セラミック共振器は圧電デバイスですが、クォーツではなくセラミックで作られています。

セラミック共振器は、水晶発振器と同様の電気的特性を持っていますが、精度が低い（通常、初期周波数精度が0.3%）で、安定性も悪い（時間と温度によって0.2-1%の変動）。良いニュースですか？それらはとても安価です！

セラミック共振器は、クリスタル発振器とRCの間にそれ以外に空白のニッチを埋め、前者と電気的に互換性があります。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-5
調整可能性	10^-4
周波数範囲	数十Khzから数十Mhz
コスト	低-中

TCXO

 

温度補償型クリスタル発振器（TCXO）は、標準のクリスタルよりも改善されており、広い温度範囲で安定した周波数が必要な場合、特に産業用または自動車用温度範囲でRTC（リアルタイムクロック）を使用する場合には、しばしば必要です。

これらは、以前に説明したように、並列共振モードを使用し、バラクタを使用して並列等価キャパシタC0の容量を変更することにより、周波数の温度偏差を補償するアクティブ回路を含んでいます。

より高級なモデルには、マイクロプロセッサ、アナログ-デジタル回路、ルックアップテーブルが含まれており、10年間で1ppmまでの周波数シフトを示すことができます。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-6 から 10^-7
調整可能性	10^-4
周波数範囲	数十Khzから数十Mhz
コスト	中

 

OCXO

 

オーブン制御型水晶発振器（OCXO）は、水晶発振器で可能な最高の周波数安定性を、実際には原子源を一形態または別の形態で使用せずに達成することができます。

OCXOでは、特定の温度、通常は80度から90度セルシウスで温度係数がゼロになる特定の種類の水晶が、電子的に制御されたオーブンによって加熱され維持されます。この方法により、温度係数は2つの異なる方法でゼロになります：できるだけ温度を安定させることによって、そして最初にゼロであるレジームで動作することによって。

OCXO、特に余分な熱絶縁を施すことができる大きなものは、温度偏差の修正に非常に優れているため、主な残りの誤差は結晶の経年劣化です。一部のOCXOは、経年劣化を補償するために、高度なアルゴリズムを使用してマイクロコンピューターを組み込んでいます。しかし、機械的衝撃やその他の予測不可能な物理的刺激によるドリフトの影響を常に受けます。

OCXOを使用するデメリットは、ヒーターによる高コストと温度消費の増加です。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-8 から 10^-9
調整可能性	10^-4
周波数範囲	通常は10Mhz
コスト	高い

 

MEMs

 

MEMs、またはマイクロメカニカルデバイスは、通常、集積回路の製造に使用されるプロセスに似たプロセスを使用してシリコンから製造されます。

現在、最小のクリスタル発振器はRiver ElectronicsのFCX-08で、1.2×1.0mmです。結晶が小さくても、時間の経過とともに良い仕様を維持するためには、環境汚染や空気からの保護が必要であり、はんだ付け（「大きくて安い」モデル用）または電子ビーム溶接（小さいが高価）による密封パッケージングが必要です。

MEMsオシレータは、クリスタルオシレータよりもはるかに小さいことができます。最新世代のiPhoneでは、SiTimeによって製造されたMEMsオシレータが使用されており、わずか0.42x0.42mmのサイズで、ウェハーレベルパッケージで提供されています。

MEMsは、クリスタルオシレータよりも低い消費電力を持つことが多いです。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-5
調整可能性	10^-4
周波数範囲	数十Khzから数十Mhz
コスト	高い

 

SAW

 

表面弾性波（SAW）オシレータは、クリスタルオシレータとやや似た方法で動作します。全体のクリスタルを曲げて動かすバルク波の代わりに、SAWオシレータは表面波を使用します。通常、入力トランスデューサと出力トランスデューサを持ち、アナログ遅延線のように振る舞います。

SAWは通常、セラミックで製造されますが、クォーツモデルも存在していることが知られています。

SAWは、クリスタルの数十メガヘルツよりもはるかに高い、数百MHzに達することができます。

SAWは、433Mhzのような一般的なRF周波数に対して、低コストのクロックソースとして有効です。一般的でない値は、しばしばクリスタルとPLL ICよりも高価になります。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-4
調整可能性	10^-4
周波数範囲	100’s Mhz
コスト	中

キャビティ共振器

 

キャビティ共振器は通常、マイクロ波周波数で使用され、最も一般的な例はマイクロ波オーブンに存在するキャビティマグネトロンです。

その使用は高出力RFアプリケーションに限定されるため、これ以上の議論はしません。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-5
調整可能性	機械的にのみ
周波数範囲	Ghzから10’s Ghz
コスト	高

 

誘電体共振器

 

誘電体共振器は、通常バリウムチタン酸塩または類似のセラミックからなる誘電体材料の部品であり、空洞発振器の代わりに使用されます。誘電体共振器は、表面実装部品と同様に、RF PCBに接着することができます。たとえば、人気のHB100ドップラーモジュールで使用されています。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-4
調整可能性	機械的のみ
周波数範囲	GHzから数十GHz
コスト	中

原子時計

 

OCXOクリスタル発振器が安定性と精度の面で要求を満たさない場合、原子時計は思っているよりも小さく、手頃な価格であることがあります。

ルビジウム

ルビジウム原子時計は、最も手頃な価格の原子時計です。ルビジウム放電ランプ（街灯のような小型の水銀ランプに似ています）は、そのルビジウム蒸気が、その超微細遷移の周波数、6.834,682,612 GHzに近い電磁場にさらされると、光出力が約0.1％低下します。

マイクロ波の周波数は、すべてのルビジウム時計に存在する10Mhzの水晶発振器から合成されます。光が減少すると、マイクロコントローラは周波数が正確に6.834,682,612 GHzであることを知り、水晶発振器をそれに応じて修正できます。

ルビジウム時計は年々小さくなり、現在ではDC-DCコンバーターに似たパッケージとわずか30gを超える重さで提供されています。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-10
調整可能性	-
周波数範囲	10Mhzのみ
コスト	200-2000USD

 

GPS/GNSS制御発振器

 

携帯電話に搭載されているGPSレシーバーは、異なる衛星からの信号の到着時間を慎重に比較し、自身の位置を三角測量することで機能します。

このような偉業を達成するために、衛星には非常に正確な原子時計が搭載されている必要があります。GPS衛星には通常、ルビジウム原子時計が搭載されていますが、より現代的なガリレオシステムには、冗長な水素メーザーとルビジウム原子時計の組み合わせがあり、さらに高い安定性を達成できます。

どちらの場合も、衛星からの信号は地上の原子時計のネットワークによって専門家チームによって比較され、1日に複数回修正されます。

そのため、GPSシステムは驚異的な長期安定性を持っています。残念ながら、大気干渉のために短期安定性はそれほど良くありません。

TXCOやOCXO、しばしばルビジウムのフォールバックを使用して、GPS信号に同期させることで、短期および長期の安定性を合理的な低コストで実現できます。

さらに、GPSは時刻保持クロック信号だけでなく、日付と時刻も提供しますので、クロックとRTC（リアルタイムクロック）の両方として機能します。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	10^-13（長期）
調整可能性	-
周波数範囲	10Mhzのみ
コスト	50-2000USD

セシウム、水素メーザーおよびその他の高価な原子時計

 

水素メーザーはおそらく10万ドル以上の出費となりますが、セシウム原子時計は安くなっており、現在では多くの適度なサイズのデータセンターで一般的に見られます。多くのデータセンターは、GPS規律発振器を使用できません。これは、ジャミングに敏感であり、米国が戦争を宣言した場合には動作を停止する可能性があるためです。

水素メーザーは、市販されている全ての原子時計の中で唯一の「実際で直接的な」発振器であり、そのため短期間でも非常に信頼性が高いです。一方でセシウムと水素は、主要な時間基準に同期された何らかの種類の二次発振器を内蔵する必要があります。

パラメータ	値
安定性（低い方が良い）	水素メーザーに対して10^-14
調整可能性	-
周波数範囲	10Mhzのみ
コスト	5000-500000USD

結論

 

市場に出回っている全てのクロックソースについて議論しました。この記事が、各ソリューションの長所と短所をより良く理解するのに役立ったことを願っています。

クロックソースは、特に単一のクロック信号から複数のサブ回路を統合する場合や、外部リソースと通信する場合に、システムの安定性と性能に深い影響を与える可能性がある稀な種類のコンポーネントです。例えば、TLSやその他のプライベート/パブリックキー暗号化スキームなど、暗号化プロトコルを通じて通信する現代のデバイスは、正確な時間管理が必要です。それを失うと、あなたのデバイスはもはやサーバーと通信することができなくなります。

同様に、デジタルアナログ設計における不正確なRCクロックは、接続されたADCやDACの性能に影響を与えることがあります。特にSAR（逐次近似レジスタ）ADCやデルタシグマADCおよびDACにおいて顕著です。

さらに、クロック源はしばしば気まぐれなデバイスであることがあります。水晶振動子を補償するために間違ったキャパシタを使用したり、単に高温度係数を持つものを選んだりすると、デバイスは壊れたり信頼性が低下したりする間を振動します。

正確にコンポーネントを選択し追跡し、適切な発振器と適切なキャパシタのみがボードに適合していることを確認することが最も重要です。これを達成するためには、2つのことを行う必要があります。

• プロジェクトの適切なリビジョン管理とリリース管理を確保します。
• BOMで各コンポーネントが適切に識別されていることを確認します。

特にAltium 365®でホストされ、Octopartのデータに完全アクセスできるConcord Pro®は、これらの両方を担います。

この例では、私のお気に入りのクリスタルの一つであるAbracomのABM3B-16.000MHZ-B2-TをAltium Designer®の右下隅にあるManufacturer Part Searchパネルで検索しました。ご覧の通り、このコンポーネントにはフットプリント、シンボル、データシート、完全な説明、製造元と製造元部品番号がすでに含まれています。右クリック、取得、OKの3クリックで、このコンポーネントをConcord Proサーバーにインポートし、ライブラリの兄弟姉妹に加えることができます。

回路図上に配置されたコンポーネントは、単一の製造元/MPNペアによって識別されるようになります。さらに代替部品を追加したい場合は、コンポーネントの編集中にPart Choicesセクションを通じて行うことができます。

プロジェクトも、以前の記事で議論されたように、完全なトレーサビリティを確保するために管理する必要があります。この例では、Mark Harrisのファンコントローラープロジェクトをクラウドに移行するのは、わずか数クリックです。

Altium Designer®の設計ツールには、新しい技術に追いつくために必要なすべてが含まれています。今日、私たちに話をして、次のPCBデザインを強化する方法を見つけてください。