Od RC do zegarów atomowych: Wszystkie źródła zegarowe

W niemal wszystkich nowoczesnych obwodach, szczególnie gdy mowa o układach cyfrowych, znajdziesz jakiś rodzaj źródła zegarowego. Wszystkie źródła zegarowe prezentują szereg kompromisów dotyczących stabilności, niezawodności, rozmiaru, zużycia energii i kosztów.

Na szczęście dla nas, takie kompromisy są stosunkowo proste i można je prawie w całości wyjaśnić w ramach tego jednego artykułu. Omówimy zalety i wady każdego źródła zegarowego, od RC w oscylatorze zasilanym przez 555, po atomowy zegar maserowy na wodorze.

Zaczynajmy!

Źródła relaksacyjne i opóźniające

Relaksacja RC

Oscylatory relaksacyjne składają się z urządzenia przełączającego (zazwyczaj tranzystory BJT, JFET, Mosfety lub bramki cyfrowe) i kondensatora do magazynowania ładunku. Kondensator jest ładowany do określonego poziomu napięcia, następnie stan urządzenia się zmienia i kondensator jest rozładowywany. Obwód oscyluje między stanem ładowania a rozładowywania.

Oscylatory relaksacyjne nie wytwarzają sygnałów sinusoidalnych. Zamiast tego produkują sygnały piłokształtne i fale kwadratowe.

Typowym przykładem oscylatora relaksacyjnego RC jest słynny NE555. Parametry dla tego typu oscylatora można znaleźć poniżej.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-2 do 10^-3
Możliwość strojenia	powyżej 10:1
Zakres częstotliwości	Hz do dziesiątek MHz
Koszt	Skrajnie niski

 

Oscylatory opóźniające i przesuwające fazę

 

Wymogiem, aby układ analogowy oscylował, jest przesunięcie fazy o 180 stopni przy wzmocnieniu jednostkowym w pętli sprzężenia zwrotnego. Seria elementów RC może przesunąć fazę sygnału o niezbędne 180 stopni, aby osiągnąć oscylację.

Ten sam efekt można uzyskać za pomocą dowolnego urządzenia zapewniającego odpowiednie opóźnienie sygnału, na przykład, szeregu bramek NOT połączonych szeregowo lub wystarczająco długiego zwitka drutu.

Oscylatory opóźniające zazwyczaj mają gorszą stabilność w porównaniu z innymi typami oscylatorów, do tego stopnia, że producenci półprzewodników używają ich do testowania krzemowych płyt, ponieważ ich wydajność jest silnie zależna od temperatury.

Często bramki NOT połączone szeregowo są tak niestabilne, że można użyć fluktuacji częstotliwości oscylatora jako prawdziwego generatora liczb losowych.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-2 do 10^-3
Możliwość strojenia	10:1 lub mniej
Zakres częstotliwości	10Mhz do setek Mhz
Koszt	Skrajnie niski, gdy jest częścią innego układu scalonego

 

Rezonatory

 

Przy rozważaniu źródeł relaksacji i opóźnień, im wyższa jest ich nominalna częstotliwość, tym projekt staje się mniej praktyczny.

Rezonator to urządzenie lub system, który wykazuje zachowanie rezonansowe, oscylując z większą amplitudą na niektórych częstotliwościach. W wielu rodzajach rezonatorów te częstotliwości mają tendencję do bycia stosunkowo wąskimi i stabilnymi, co czyni je doskonałymi oscylatorami.

Rezonatory mogą rezonować dzięki swoim właściwościom elektrycznym (na przykład rezonatory LC), elektromechanicznym (na przykład ceramika, kryształy i MEMS), propagacji fal elektromagnetycznych, a nawet właściwościom atomowym w zegarach atomowych.

Prawie wszystko może być rezonatorem, od drapaczy chmur po jamę płucną. Jeśli tylko masz takie życzenie, możesz użyć wahadła jako swojego następnego źródła zegara, ale w tym artykule ograniczymy zakres do rezonatorów powszechnie używanych w przemyśle elektronicznym do generowania sygnału zegarowego.

Rezonatory LC

Rezonatory LC były kiedyś najczęściej stosowanym rodzajem oscylatorów, kiedy świat opierał się na radiach bezprzewodowych pracujących na częstotliwościach poniżej kilkuset megaherców.

Składają się one z pewnego rodzaju sieci LC połączonej z wzmacniaczem, przy czym wzmacniacz dostarcza dodatnie sprzężenie zwrotne. Najpopularniejszymi typami oscylatorów LC są Colpittsa i Hartleya.

Rezonatory LC są tylko umiarkowanie strojone. Wczesne radia używały zmiennych induktorów lub zmiennych kondensatorów, ale jeśli celem jest elektroniczna regulacja częstotliwości, jedynym praktycznym sposobem jest zmiana „C” w LC. Sztuczka polega na użyciu diody spolaryzowanej odwrotnie, wykazującej napięciowo-zależną pojemność zaporową.

Specjalnie zaprojektowane diody, zwane waraktorami, są dostrojone tak, aby pokrywać stosunek pojemności do 15:1. Waraktor może zostać przekształcony w doskonały przetwornik napięcie-pojemność poprzez umieszczenie kondensatora szeregowo z nim, aby wyeliminować prąd zaporowy DC.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-3 do 10^-5
Strojność	umiarkowana
Zakres częstotliwości	Khz do setek Mhz
Koszt	niski

 

Kryształy/XTAL

 

Oscylatory RC z dobrze dobranymi komponentami mogą osiągnąć stabilność 0,1%. Oscylatory LC wypadają nieco lepiej, około 0,01%. Kryształy mogą osiągnąć znacznie, znacznie lepsze wyniki, jak zobaczymy wkrótce.

Funkcjonalność oscylatorów kwarcowych dzięki efektowi piezoelektrycznemu i wynikającemu z niego odwrotnemu efektowi piezoelektrycznemu. Gdy materiał piezoelektryczny jest mechanicznie stymulowany, wytwarza sygnał elektryczny. Odwrotnie, stymulacja elektryczna tego samego materiału wygeneruje ruchy mechaniczne.

Jeśli materiał piezoelektryczny zostanie odpowiednio ukształtowany i zostaną do niego przyłożone dwie elektrody, można wytworzyć falę dźwiękową, stymulując go elektrycznie. Fala dźwiękowa będzie rozchodzić się tam i z powrotem, generując również napięcie. Efekt piezoelektryczny został po raz pierwszy udokumentowany w połowie XVIII wieku.

Ogólnie rzecz biorąc, oscylator kwarcowy można modelować elektrycznie jako rezystancję, indukcyjność i kondensator połączone szeregowo, z dodatkowym kondensatorem równolegle do szeregu RLC z powodu pasożytniczej pojemności kontaktów powlekanych i wyprowadzeń komponentów.

Wszystkie kryształy mają nie jeden, ale dwa tryby rezonansowe: szeregowy i równoległy.

W trybie rezonansowym szeregowym, C1 i L1 rezonują, a C0 nie jest zaangażowany w proces. W trybie rezonansowym równoległym, C0 i C1 rezonują razem z L1.

Zawsze, gdy używasz układu scalonego, który wymaga oscylatora kwarcowego, powinieneś sprawdzić, czy producent określił, dla jakiego trybu rezonansowego część jest określona, szeregowego czy równoległego. Ich częstotliwości rezonansowe będą się różnić.

W trybie rezonansowym równoległym, możesz zmienić wartość C0, umieszczając drugi kondensator równolegle. VCXO, czyli oscylatory kwarcowe sterowane napięciem, często są tworzone z waraktorem równolegle do głównego kryształu.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-5
Możliwość strojenia	10^-4
Zakres częstotliwości	Od dziesiątek kHz do dziesiątek MHz
Koszt	średni

 

Rezonatory ceramiczne (nie mylić z oscylatorami SAW)

 

Podobnie jak kryształy, rezonatory ceramiczne są urządzeniami piezoelektrycznymi, ale zamiast z kwarcu, są wykonane z ceramiki.

Rezonatory ceramiczne mają również podobne właściwości elektryczne do oscylatorów kwarcowych, ale są mniej precyzyjne (zwykle dokładność początkowej częstotliwości 0,3%) i mają słabą stabilność (0,2-1% w czasie i w zależności od temperatury). Dobra wiadomość? Są bardzo tanie!

Rezonatory ceramiczne wypełniają inaczej pustą niszę między oscylatorami kwarcowymi a RC, i często są elektrycznie kompatybilne z tymi pierwszymi.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-5
Możliwość strojenia	10^-4
Zakres częstotliwości	dziesiątki Khz do dziesiątek Mhz
Koszt	niski-średni

TCXO

 

Oscylatory kwarcowe kompensowane temperaturowo (TCXO) są ulepszeniem standardowych kryształów i często są niezbędne, gdy potrzebna jest stabilna częstotliwość w szerokim zakresie temperatur, na przykład w zakresach temperatur przemysłowych lub samochodowych, szczególnie przy użyciu RTC (zegar czasu rzeczywistego).

Zawierają aktywne obwody, które kompensują odchylenie temperatury częstotliwości, zwykle poprzez użycie trybu rezonansu równoległego i zmianę pojemności równoległego kondensatora równoważnego C0 za pomocą waraktora, jak opisano wcześniej.

Bardziej zaawansowane modele zawierają mikroprocesor, układy analogowo-cyfrowe oraz tabelę przeszukiwań i mogą prezentować zmianę częstotliwości do 1ppm przez dziesięć lat.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-6 do 10^-7
Możliwość strojenia	10^-4
Zakres częstotliwości	dziesiątki Khz do dziesiątek Mhz
Koszt	średni

 

OCXO

 

Oven-Controlled Crystal Oscillators (OCXO), mogą osiągnąć najwyższą możliwą stabilność częstotliwości dla oscylatorów kwarcowych, a nawet najwyższą stabilność częstotliwości możliwą bez uciekania się do źródeł atomowych w jednej formie lub innej.

W OCXO, specjalny rodzaj kryształu, który prezentuje zerowy współczynnik temperatury przy określonej temperaturze, zazwyczaj między 80 a 90 stopni celsjusza, jest podgrzewany przez elektronicznie sterowany piec. W ten sposób współczynnik temperatury jest eliminowany na dwa różne sposoby: przez stabilizowanie temperatury jak najbardziej oraz przez działanie w reżimie, gdzie na początku jest on równy zero.

OCXO, szczególnie te większe, które mogą pozwolić sobie na dodatkową izolację termiczną, są tak dobre w korygowaniu odchyleń temperatury, że głównym pozostałym błędem jest starzenie się kryształu. Niektóre OCXO nawet włączają mikrokomputer do kompensacji starzenia za pomocą zaawansowanych algorytmów; jednak zawsze będą podatne na dryf spowodowany wstrząsami mechanicznymi i innymi nieprzewidywalnymi bodźcami fizycznymi.

Wadą używania OCXO jest wysoki koszt i podwyższone zużycie energii z powodu grzałki.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-8 do 10^-9
Możliwość strojenia	10^-4
Zakres częstotliwości	Typowo 10Mhz
Koszt	wysoki

 

MEMs

 

MEMs, czyli mikromechaniczne urządzenia, są zazwyczaj produkowane z krzemu przy użyciu procesów podobnych do tych stosowanych w produkcji układów scalonych.

Obecnie najmniejszym oscylatorem kwarcowym jest FCX-08 firmy River Electronics, o wymiarach 1,2×1,0mm. Nawet jeśli kryształ wewnątrz jest mniejszy, aby utrzymać dobre specyfikacje w czasie, kryształy wymagają ochrony przed zanieczyszczeniem środowiska i powietrzem poprzez hermetyczne opakowanie, albo przez lutowanie (dla modeli "dużych i tanich") albo przez spawanie wiązką elektronów (mniejsze, ale droższe).

Oscylatory MEMs mogą być znacznie mniejsze niż oscylatory kwarcowe. Najnowsze generacje iPhone'ów używają oscylatorów MEMs produkowanych przez SiTime, mierzących zaledwie 0,42x0,42mm i dostępnych w pakietach na poziomie płytki krzemowej.

Oscylatory MEMs często mają również mniejsze zużycie energii niż oscylatory kwarcowe.

Parametr	Wartość
Stabilność (im mniejsza, tym lepiej)	10^-5
Możliwość strojenia	10^-4
Zakres częstotliwości	Od dziesiątek kHz do dziesiątek MHz
Koszt	wysoki

 

SAW

 

Oscylatory akustyczne powierzchniowe (SAW) działają w sposób nieco podobny do oscylatorów kwarcowych. Zamiast fali objętościowej, która zginają i porusza cały kryształ, oscylatory SAW używają fal powierzchniowych. Zazwyczaj mają one przetwornik wejściowy i wyjściowy, i zachowują się nieco jak analogowe linie opóźniające.

SAW są zazwyczaj produkowane z ceramiki, a nie kwarcu, chociaż znane są również modele kwarcowe.

SAW mogą osiągać częstotliwości do setek MHz, znacznie wyższe niż dziesiątki megaherców kryształów.

SAW-y mogą być opłacalnym, niskokosztowym źródłem zegara dla powszechnych częstotliwości RF, takich jak 433Mhz. Mniej powszechne wartości mają tendencję do bycia droższymi, często przewyższając kosztami kryształ i układ PLL.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-4
Możliwość strojenia	10^-4
Zakres częstotliwości	setki Mhz
Koszt	średni

Rezonatory wnękowe

 

Rezonatory wnękowe są zwykle używane na częstotliwościach mikrofalowych, a najbardziej znanym przykładem jest magnetron wnękowy obecny w mikrofalówkach.

Ich użycie jest ograniczone do aplikacji RF o wysokiej mocy, więc nie będziemy ich dalej omawiać.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-5
Możliwość strojenia	tylko mechaniczna
Zakres częstotliwości	Ghz do dziesiątek Ghz
Koszt	wysoki

 

Rezonatory dielektryczne

 

Rezonatory dielektryczne to elementy z materiałów dielektrycznych, zazwyczaj tytanianu baru lub podobnej ceramiki, które są używane do zastępowania oscylatorów wnękowych. Można je przyklejać do płyt PCB RF podobnie jak elementy montażu powierzchniowego. Są używane na przykład w popularnym module Dopplera HB100.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-4
Możliwość strojenia	tylko mechaniczna
Zakres częstotliwości	Ghz do dziesiątek Ghz
Koszt	średni

Zegary atomowe

 

Jeśli oscylator kwarcowy OCXO nie spełnia wymagań pod względem stabilności i precyzji, zegary atomowe mogą być mniejsze i bardziej przystępne cenowo, niż mogłoby się wydawać.

Rubid

Zegary atomowe na rubidzie są najbardziej przystępnymi cenowo zegarami atomowymi. Lampa wyładowcza rubidowa (podobna do małej lampy rtęciowej, jak te oświetlające ulice) zmniejszy swoją moc świetlną o około 0,1%, gdy jej para rubidowa zostanie wystawiona na pole elektromagnetyczne o częstotliwości bliskiej jej przejściu hiperfijnemu, 6,834,682,612 GHz.

Częstotliwość pola mikrofalowego jest syntezowana z 10Mhz oscylatora kwarcowego obecnego w każdym zegarze rubidowym. Gdy światło przygasa, mikrokontroler wie, że częstotliwość wynosi dokładnie 6,834,682,612 GHz i może odpowiednio skorygować oscylator kwarcowy.

Zegary rubidowe stały się z biegiem lat coraz mniejsze i są teraz dostępne w obudowach podobnych do przetwornic DC-DC oraz ważą nieco ponad 30g.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-10
Możliwość strojenia	-
Zakres częstotliwości	Tylko 10Mhz
Koszt	200-2000USD

 

Oscylatory dyscyplinowane przez GPS/GNSS

 

Odbiornik GPS w twoim telefonie działa, dokładnie porównując czas przybycia sygnałów z różnych satelit i triangulując własną pozycję.

Aby osiągnąć taki wyczyn, satelity muszą mieć na pokładzie niezwykle precyzyjne zegary atomowe. Satelity GPS zazwyczaj mają Atomowe Zegary Rubidowe, podczas gdy nowszy system Galileo posiada kombinację redundantnych Zegarów Atomowych Rubidowych i Maserów Wodorowych, co pozwala osiągnąć jeszcze większą stabilność.

W obu przypadkach sygnały z satelit są porównywane przez zespoły ekspertów do sieci zegarów atomowych na ziemi i korygowane wielokrotnie w ciągu dnia.

W związku z tym system GPS ma niesamowitą stabilność długoterminową. Niestety, ze względu na zakłócenia atmosferyczne, stabilność krótkoterminowa nie jest tak dobra.

TXCO i OCXO, często z awaryjnym wsparciem rubidowym, mogą być zsynchronizowane z sygnałem GPS, aby osiągnąć kombinację stabilności krótko- i długoterminowej, przy stosunkowo niskich kosztach.

Dodatkowo, GPS dostarczy ci datę i czas, nie tylko sygnał zegara do pomiaru czasu, działając więc jako zegar i RTC (Real Time Clock).

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-13 (długoterminowa)
Możliwość strojenia	-
Zakres częstotliwości	Tylko 10Mhz
Koszt	50-2000USD

Cezowe, Maser Wodorowy i Inne Drogie Zegary Atomowe

 

Maser wodorowy prawdopodobnie będzie kosztował ponad sto tysięcy dolarów, ale zegary atomowe cezowe stały się tańsze i obecnie są rutynowo znajdowane w wielu rozsądnie wielkich centrach danych. Wiele centrów danych nie może używać oscylatorów dyscyplinowanych przez GPS, ponieważ są wrażliwe na zakłócenia i mogłyby przestać działać, gdyby USA ogłosiły wojnę.

Maser wodorowy to jedyny "prawdziwy i bezpośredni" oscylator spośród wszystkich dostępnych komercyjnie zegarów atomowych i jako taki jest niezwykle niezawodny również w krótkim okresie, podczas gdy cez i wodór nadal wymagają pewnego rodzaju wtórnego oscylatora wewnątrz zsynchronizowanego z pierwotnym odniesieniem czasowym.

Parametr	Wartość
Stabilność (im niższa, tym lepiej)	10^-14 dla masera H
Możliwość strojenia	-
Zakres częstotliwości	Tylko 10Mhz
Koszt	5000-500000USD

Wnioski

 

Omówiliśmy wszystkie dostępne źródła zegarów na rynku. Mam nadzieję, że ten artykuł dał Ci lepsze zrozumienie zalet i wad każdego rozwiązania.

Źródła zegarowe to rzadki rodzaj komponentów, których wybór może mieć głębokie implikacje dla stabilności i wydajności Twojego systemu, szczególnie gdy integrujesz wiele podobwodów z pojedynczego sygnału zegarowego lub komunikujesz się z zewnętrznymi zasobami. Na przykład, każde nowoczesne urządzenie komunikujące się za pomocą zaszyfrowanych protokołów takich jak TLS, lub inny schemat szyfrowania kluczem prywatnym/publicznym, musi posiadać dokładne prowadzenie czasu. Stracisz to, a Twoje urządzenie nie będzie już mogło komunikować się z serwerami.

Podobnie, niedokładne zegary RC w cyfrowych projektach analogowych mogą zmieniać wydajność połączonych przetworników ADC i DAC, w szczególności SAR (Successive Approximation Register) ADCs oraz przetworników Delta-sigma ADCs i DACs.

Dodatkowo, źródła zegarowe mogą często być kapryśnymi urządzeniami. Użycie niewłaściwego kondensatora do kompensacji kryształu kwarcowego, lub po prostu wybranie jednego o wysokim współczynniku temperaturowym, sprawi, że twoje urządzenie będzie oscylować między uszkodzonym a niewiarygodnym.

Dokładny dobór i śledzenie komponentów, zapewnienie, że tylko odpowiedni oscylator i odpowiedni kondensator są montowane na twoich płytach, jest najwyższej wagi. Aby to osiągnąć, musisz zrobić dwie rzeczy.

• Zapewnić właściwe zarządzanie wersjami i wydawaniem projektów.
• Zapewnić, że każdy komponent jest odpowiednio zidentyfikowany w BOM.

Concord Pro®, zwłaszcza gdy jest hostowany w Altium 365® z pełnym dostępem do danych Octopart, dba o oba te aspekty.

W tym przykładzie wyszukałem jeden z moich ulubionych kryształów, ABM3B-16.000MHZ-B2-T Abracom w panelu wyszukiwania części producenta (w prawym dolnym rogu w Altium Designer®). Jak mogłeś zauważyć, komponent już zawiera footprint, symbol, kartę katalogową, pełne opisy oraz nazwę producenta i numer części producenta. Za pomocą trzech kliknięć (prawy przycisk myszy, pozyskaj, OK) komponent może zostać zaimportowany do serwera Concord Pro i dołączyć do jego braci i sióstr w twojej bibliotece.

Komponent umieszczony na twoim schemacie będzie teraz identyfikowany przez pojedynczą parę Producent/MPN. Jeśli chcesz dodać więcej alternatywnych części, można to zrobić poprzez sekcję Wybór Części podczas edycji komponentu.

Twój projekt również musi być zarządzany, aby zapewnić pełną śledzalność, jak omówiono w poprzednim artykule. W tym przykładzie, migracja projektu kontrolera wentylatora Marka Harrisa do chmury zajmuje tylko kilka kliknięć.

Narzędzia projektowe w Altium Designer® zawierają wszystko, czego potrzebujesz, aby nadążyć za nowymi technologiami. Porozmawiaj z nami już dziś i dowiedz się, jak możemy ulepszyć Twój następny projekt PCB.