De RC a Relógios Atômicos: Todas as Fontes de Relógio

Em quase todos os circuitos modernos, especialmente quando envolve circuitaria digital, você encontrará algum tipo de fonte de relógio. Todas as fontes de relógio apresentam uma série de compromissos em relação à estabilidade, confiabilidade, tamanho, consumo de energia e custo.

Felizmente para nós, tais compromissos são relativamente simples e podem ser explicados quase integralmente neste único artigo. Discutiremos os prós e contras de cada fonte de relógio, desde o RC em um oscilador alimentado por 555, até um relógio atômico de Maser de Hidrogênio.

Vamos começar!

Fontes de Relaxamento e Atraso

Relaxamento RC

Os osciladores de relaxamento são feitos de um dispositivo de comutação (geralmente BJTs, JFETs, Mosfets ou portas digitais) e um capacitor para armazenar carga. O capacitor é carregado até um nível de tensão definido, então o estado do dispositivo muda e o capacitor é descarregado. O circuito oscila entre o estado de carregamento e descarregamento.

Os osciladores de relaxamento não produzem sinais senoidais. Em vez disso, eles produzem sinais de dente de serra e ondas quadradas.

Um exemplo típico do oscilador de relaxamento RC é o famoso NE555. Os parâmetros para este tipo de oscilador podem ser encontrados abaixo.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-2 a 10^-3
Sintonizabilidade	acima de 10:1
Faixa de frequência	Hz até dezenas de Mhz
Custo	Extremamente baixo

 

Osciladores de Atraso e Deslocamento de Fase

 

A exigência para fazer um circuito analógico oscilar é um deslocamento de fase de 180 graus com ganho unitário em um loop de feedback. Uma série de elementos RC pode deslocar a fase de um sinal para o necessário deslocamento de 180 graus para alcançar a oscilação.

Você pode obter o mesmo efeito com qualquer dispositivo que forneça um atraso adequado no sinal, por exemplo, uma série de portas NOT em série ou um carretel de fio que seja longo o suficiente para fazer o trabalho.

Osciladores de atraso geralmente têm estabilidade inferior quando comparados a outros tipos de osciladores, tanto que fabricantes de semicondutores os usam para testar wafers, já que seu desempenho é fortemente dependente da temperatura.

Muitas vezes, portas NOT conectadas em série são tão instáveis que você pode usar as flutuações de frequência do oscilador como um gerador de números aleatórios verdadeiro.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-2 a 10^-3
Sintonizabilidade	10:1 ou menos
Faixa de frequência	10Mhz a centenas de Mhz
Custo	Extremamente baixo quando parte de outro CI

 

Resonadores

 

Ao considerar fontes de relaxamento e atraso, quanto maior a frequência nominal, mais impraticável se torna o design.

Um resonador é um dispositivo ou sistema que exibe comportamento ressonante, oscilando com maior amplitude em algumas frequências. Em muitos tipos de resonadores, essas frequências tendem a ser relativamente estreitas e estáveis, tornando-os excelentes osciladores.

Resonadores podem ressonar devido às suas propriedades elétricas (por exemplo, resonadores LC), propriedades eletromecânicas (por exemplo, cerâmicas, cristais e MEMS), propagação de ondas eletromagnéticas ou até propriedades atômicas para relógios atômicos.

Quase tudo pode ser um resonador, desde arranha-céus até a cavidade do seu pulmão. Se desejar, você poderia usar um pêndulo como sua próxima fonte de relógio, mas para este artigo, limitaremos o escopo a resonadores amplamente usados na indústria eletrônica para gerar um sinal de relógio.

Resonadores LC

Os ressonadores LC costumavam ser o tipo de osciladores mais amplamente adotado quando o mundo dependia de rádios sem fio que operavam abaixo de algumas centenas de megahertz.

Eles consistem em algum tipo de rede LC conectada a um amplificador, com o amplificador fornecendo feedback positivo. Os tipos mais comuns de osciladores LC são Colpitts e Hartley.

Os ressonadores LC são apenas modestamente sintonizáveis. Rádios antigos usavam indutores variáveis ou capacitores variáveis, mas se o seu objetivo é ajustar a frequência eletronicamente, a única maneira prática é mudar o ‘C’ em LC. O truque é usar uma junção de diodo polarizada inversamente que exibe uma capacitância de polarização reversa dependente da voltagem.

Diodos especialmente projetados, chamados varactores, são ajustados para cobrir até uma proporção de 15:1 em capacitância. Um varactor pode ser transformado em um excelente conversor de voltagem para capacitância ao colocar um capacitor em série com ele para eliminar a corrente de polarização reversa DC.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-3 a 10^-5
Sintonizabilidade	modesta
Faixa de frequência	Khz a centenas de Mhz
Custo	baixo

 

Cristais/XTAL

 

Os osciladores RC com componentes bem selecionados podem ter uma estabilidade de 0,1%. Os osciladores LC se saem um pouco melhor, em torno de 0,01%. Os cristais podem fazer muito, muito melhor, como veremos em breve.

A funcionalidade dos osciladores de cristal deve-se ao efeito piezoelétrico e ao resultante efeito piezoelétrico inverso. Quando um material piezoelétrico é estimulado mecanicamente, ele produz um sinal elétrico. Vice-versa, uma estimulação elétrica no mesmo material gerará movimentos mecânicos.

Se um material piezoelétrico é cortado em uma forma apropriada e dois eletrodos são aplicados a ele, é possível criar uma onda sonora estimulando-o eletricamente. A onda sonora propagará de volta e forth, gerando também uma voltagem. O efeito piezoelétrico foi documentado pela primeira vez em meados do século XVIII.

Um oscilador de cristal pode, em geral, ser modelado eletricamente como uma resistência, uma indutância e um capacitor em série, com um capacitor adicional em paralelo à série RLC devido à capacitância parasita dos contatos banhados e dos terminais do componente.

Todos os cristais têm não apenas um modo de ressonância, mas dois: série e paralelo.

No modo ressonante em série, C1 e L1 ressoam, e C0 não está envolvido no processo. No modo ressonante em paralelo, C0 e C1 ressoam juntos com L1.

Sempre que você usar um CI que requer um oscilador de cristal, você deve verificar se o fabricante especificou para qual modo ressonante a peça é especificada, série ou paralelo. Suas frequências ressonantes serão diferentes.

No modo ressonante em paralelo, você pode alterar o valor de C0 colocando um segundo capacitor em paralelo. VCXO, ou osciladores de cristal controlados por tensão, são frequentemente criados com um varactor em paralelo ao cristal principal.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-5
Sintonizabilidade	10^-4
Faixa de frequência	Dezenas de Khz a dezenas de Mhz
Custo	médio

 

Resonadores Cerâmicos (não confundir com Osciladores SAW)

 

De forma semelhante aos cristais, os resonadores cerâmicos são dispositivos piezoelétricos, mas em vez de serem feitos de quartzo, são feitos de cerâmica.

Resonadores cerâmicos possuem propriedades elétricas similares aos osciladores de quartzo, mas são menos precisos (tipicamente 0,3% de precisão inicial de frequência) e têm estabilidade ruim (0,2-1% ao longo do tempo e temperatura). A boa notícia? Eles são extremamente baratos!

Resonadores cerâmicos preenchem um nicho de outra forma vazio entre osciladores de cristal e RC, e muitas vezes são eletricamente compatíveis com os primeiros.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-5
Sintonizabilidade	10^-4
Faixa de frequência	Dezenas de Khz a dezenas de Mhz
Custo	baixo-médio

TCXO

 

Osciladores de Cristal Compensados por Temperatura (TCXO) são uma melhoria em relação aos cristais padrão e são frequentemente necessários quando você precisa de uma frequência estável em uma ampla faixa de temperatura, por exemplo, em faixas de temperatura industrial ou automotiva, especialmente ao usar um RTC (Relógio em Tempo Real).

Eles incluem circuitos ativos que compensam o desvio de temperatura da frequência, geralmente usando o modo de ressonância paralela e alterando a capacitância do capacitor equivalente paralelo C0 com um varactor, conforme descrito anteriormente.

Os modelos mais sofisticados incluem um microprocessador, circuitaria analógico-digital e uma tabela de consulta, e podem apresentar até 1ppm de desvio de frequência ao longo de dez anos.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-6 a 10^-7
Sintonizabilidade	10^-4
Faixa de frequência	Dezenas de Khz a dezenas de Mhz
Custo	médio

 

OCXO

 

Osciladores de Cristal Controlados por Forno (OCXO), podem alcançar a estabilidade de frequência mais alta possível com um oscilador de cristal, de fato, a estabilidade de frequência mais alta possível sem recorrer a fontes atômicas de uma forma ou de outra.

Em um OCXO, um tipo particular de cristal que apresenta um coeficiente de temperatura nulo em uma temperatura específica, geralmente entre 80 e 90 graus Celsius, é mantido aquecido por um forno controlado eletronicamente. Dessa forma, o coeficiente de temperatura é anulado de duas maneiras diferentes: estabilizando a temperatura tanto quanto possível e operando em um regime onde ele é zero em primeiro lugar.

OCXOs, especialmente os maiores que podem comportar um pouco mais de isolamento térmico, são tão bons em corrigir as variações de temperatura que o erro primário restante é o envelhecimento do cristal. Alguns OCXOs até incorporam um microcomputador para compensar o envelhecimento usando algoritmos sofisticados; no entanto, eles sempre estarão sujeitos a desvios devido a choques mecânicos e outros estímulos físicos imprevisíveis.

A desvantagem de usar OCXOs é o alto custo e o elevado consumo de temperatura devido ao aquecedor.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-8 a 10^-9
Sintonizabilidade	10^-4
Faixa de frequência	10Mhz tipicamente
Custo	alto

 

MEMs

 

MEMs, ou dispositivos micromecânicos, são geralmente fabricados a partir de silício usando processos semelhantes aos usados na fabricação de circuitos integrados.

Atualmente, o menor oscilador de cristal é o FCX-08 da River Electronics, com 1.2×1.0mm. Mesmo que o cristal interno seja menor, para manter boas especificações ao longo do tempo, os cristais requerem proteção contra contaminação ambiental e ar através de embalagens seladas, seja por soldagem (para os modelos "grandes e baratos") ou por soldagem com feixes de elétrons (menores, mas mais caros).

Os osciladores MEMs podem ser muito menores que os osciladores de cristal. As últimas gerações de iPhones usam osciladores MEMs fabricados pela SiTime, medindo apenas 0,42x0,42mm e disponíveis em pacotes de nível de wafer.

Os MEMs geralmente têm um consumo de energia menor que os osciladores de cristal também.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-5
Sintonizabilidade	10^-4
Faixa de frequência	Dezenas de Khz a dezenas de Mhz
Custo	alto

 

SAW

 

Osciladores de onda acústica de superfície (SAW) funcionam de maneira um pouco semelhante aos osciladores de cristal. Em vez de uma onda volumétrica que flexiona e move todo o cristal, os osciladores SAW usam ondas de superfície. Eles geralmente têm um transdutor de entrada e um transdutor de saída, e se comportam de forma um pouco semelhante a linhas de atraso analógicas.

Os SAW são geralmente fabricados em cerâmica e não em quartzo, embora modelos de quartzo sejam conhecidos por existir também.

Os SAW podem alcançar frequências de até centenas de MHz, muito mais altas que as dezenas de megahertz dos cristais.

SAWs podem ser uma fonte de relógio de baixo custo viável para frequências de RF comuns, como 433Mhz. Valores menos comuns tendem a ser mais caros, muitas vezes mais do que um cristal e um CI PLL.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-4
Sintonizabilidade	10^-4
Faixa de frequência	Centenas de Mhz
Custo	médio

Resonadores de Cavidade

 

Resonadores de cavidade são tipicamente usados em frequências de micro-ondas, e o exemplo mais comum é o magnetron de cavidade presente em micro-ondas.

Seu uso é restrito a aplicações de RF de alta potência, então não discutiremos mais sobre eles.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-5
Sintonizabilidade	apenas mecânica
Faixa de frequência	Ghz até dezenas de Ghz
Custo	alto

 

Resonadores Dielétricos

 

Resonadores dielétricos são peças de materiais dielétricos, geralmente titanato de bário ou uma cerâmica similar, e são usados para substituir osciladores de cavidade. Você pode colar resonadores dielétricos em PCBs de RF de maneira semelhante aos componentes de montagem superficial. Eles são usados, por exemplo, no popular módulo Doppler HB100.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-4
Sintonizabilidade	apenas mecânica
Faixa de frequência	Ghz até dezenas de Ghz
Custo	médio

Relógios Atômicos

 

Se um oscilador de cristal OCXO não for suficiente em termos de estabilidade e precisão, os relógios atômicos podem ser menores e mais acessíveis do que você imagina.

Rubídio

Relógios atômicos de rubídio são os relógios atômicos mais acessíveis disponíveis. Uma lâmpada de descarga de rubídio (similar a uma pequena lâmpada de mercúrio, como aquelas que iluminam as ruas) reduzirá sua emissão de luz em cerca de 0,1% quando seu vapor de rubídio for exposto a um campo eletromagnético em uma frequência próxima à de sua transição hiperfina, 6.834,682,612 GHz.

A frequência do campo de micro-ondas é sintetizada a partir do oscilador de cristal de 10Mhz presente em todo relógio de rubídio. Quando a luz diminui, o microcontrolador sabe que a frequência é exatamente de 6.834,682,612 GHz e pode corrigir o oscilador de cristal de acordo.

Os relógios de rubídio tornaram-se cada vez menores ao longo dos anos e agora estão disponíveis em embalagens semelhantes aos conversores DC-DC e com pesos de pouco mais de 30g.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-10
Sintonizabilidade	-
Faixa de frequência	Apenas 10Mhz
Custo	200-2000USD

 

Osciladores Disciplinados por GPS/GNSS

 

O receptor GPS presente em seus telefones funciona comparando cuidadosamente o tempo de chegada dos sinais de diferentes satélites e triangulando sua própria posição.

Para alcançar tal feito, os satélites devem ter relógios atômicos extremamente precisos a bordo. Os satélites GPS geralmente têm Relógios Atômicos de Rubídio, enquanto o sistema Galileo mais moderno tem uma combinação de Relógios Atômicos de Rubídio e Maser de Hidrogênio redundantes e pode alcançar ainda maior estabilidade.

Nos dois casos, os sinais dos satélites são comparados por equipes de especialistas a redes de relógios atômicos no solo e corrigidos várias vezes ao dia.

Como tal, o sistema GPS possui uma incrível estabilidade a longo prazo. Infelizmente, devido à interferência atmosférica, a estabilidade a curto prazo não é tão boa.

TXCO e OCXO, muitas vezes com um recurso de falha em rubídio, podem ser sincronizados ao sinal GPS para alcançar uma combinação de estabilidade a curto e longo prazo, a um custo razoavelmente baixo.

Além disso, o GPS fornecerá a você a data e a hora, não apenas o sinal de relógio para manutenção do tempo, funcionando assim como um relógio e um RTC (Relógio de Tempo Real).

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-13 (a longo prazo)
Ajustabilidade	-
Faixa de frequência	Apenas 10Mhz
Custo	50-2000USD

Césio, Maser de Hidrogênio e Outros Relógios Atômicos Caros

 

Um Maser de Hidrogênio provavelmente custará mais de cem mil dólares, mas os Relógios Atômicos de Césio se tornaram mais baratos e agora são rotineiramente encontrados em muitos centros de dados de tamanho razoável. Muitos centros de dados não podem usar osciladores disciplinados por GPS, pois são sensíveis a interferências e poderiam parar de funcionar se os EUA declarassem guerra.

O Maser de Hidrogênio é o único oscilador “real e direto” entre todos os relógios atômicos disponíveis comercialmente, e como tal, são extremamente confiáveis a curto prazo também, enquanto Césio e Hidrogênio ainda precisam ter algum tipo de oscilador secundário interno sincronizado com a referência de tempo primária.

Parâmetro	Valor
Estabilidade (quanto menor, melhor)	10^-14 para Maser de H
Sintonizabilidade	-
Faixa de frequência	Apenas 10Mhz
Custo	5000-500000USD

Conclusões

 

Discutimos todas as fontes de relógio disponíveis no mercado. Esperamos que este artigo tenha lhe proporcionado um melhor entendimento dos prós e contras de cada solução.

Fontes de relógio são o tipo raro de componentes cuja escolha pode ter implicações profundas na estabilidade e desempenho do seu sistema, especialmente quando você está integrando múltiplos sub-circuitos a partir de um único sinal de relógio, ou comunicando-se com recursos externos. Por exemplo, qualquer dispositivo moderno que se comunique através de protocolos criptografados como TLS, ou outro esquema de criptografia de chave privada/pública, deve ter uma cronometragem precisa. Perca isso, e seu dispositivo não será mais capaz de se comunicar com os servidores.

Da mesma forma, relógios RC imprecisos em designs analógicos digitais podem alterar o desempenho de ADCs e DACs conectados, em particular ADCs SAR (Successive Approximation Register) e ADCs e DACs Delta-sigma.

Além disso, fontes de relógio podem frequentemente ser dispositivos caprichosos. Usar o capacitor errado para compensar um cristal de quartzo, ou simplesmente escolher um com um alto coeficiente de temperatura, e seu dispositivo oscilará entre quebrado e não confiável.

Selecionar e rastrear componentes com precisão, garantindo que apenas o oscilador apropriado e o capacitor apropriado sejam adequados para suas placas é de extrema importância. Para alcançar isso, você precisa fazer duas coisas.

• Garantir o gerenciamento adequado de revisão e liberação de seus projetos.
• Garantir que cada componente seja adequadamente identificado no BOM.

O Concord Pro®, especialmente quando hospedado no Altium 365® com acesso total aos dados do Octopart, cuida de ambos.

Neste exemplo, eu procurei um dos meus cristais favoritos, o ABM3B-16.000MHZ-B2-T da Abracom, no painel de Pesquisa de Parte do Fabricante (canto inferior direito no Altium Designer®). Como você deve ter observado, o componente já inclui footprint, símbolo, datasheet, descrições completas, e o fabricante e o número da parte do fabricante. Com três cliques (botão direito, adquirir, OK) o componente pode ser importado para o seu servidor Concord Pro e juntar-se aos seus irmãos e irmãs na sua biblioteca.

O componente colocado no seu esquemático agora será identificado por um único par Fabricante/MPN. Se desejar adicionar mais partes alternativas, isso pode ser feito através da seção de Escolhas de Parte enquanto edita o componente.

Seu projeto também precisará ser gerenciado para garantir total rastreabilidade, como discutido em um artigo anterior. Neste exemplo, migrar o projeto do Controlador de Ventilador de Mark Harris para a nuvem leva apenas alguns cliques.

As ferramentas de design no Altium Designer® contêm tudo o que você precisa para acompanhar a nova tecnologia. Fale conosco hoje e descubra como podemos aprimorar seu próximo Design de PCB.