От RC до атомных часов: Все источники тактирования

В почти всех современных схемах, особенно когда речь идет о цифровой электронике, вы найдете какой-либо источник тактового сигнала. Все источники тактовых сигналов представляют собой серию компромиссов в отношении стабильности, надежности, размера, потребления энергии и стоимости.

К счастью для нас, такие компромиссы относительно просты и могут быть почти полностью объяснены в рамках этой одной статьи. Мы обсудим плюсы и минусы каждого источника тактового сигнала, от RC в генераторе на 555, до атомных часов на водородном мазере.

Давайте начнем!

Источники релаксации и задержки

RC релаксация

Релаксационные генераторы состоят из переключающего устройства (обычно это БТТ, ПТУН, МОП-транзисторы или цифровые вентили) и конденсатора для накопления заряда. Конденсатор заряжается до определенного уровня напряжения, затем состояние устройства изменяется и конденсатор разряжается. Схема колеблется между состоянием зарядки и разрядки.

Релаксационные генераторы не производят синусоидальные сигналы. Вместо этого они производят пилообразные сигналы и прямоугольные волны.

Типичным примером RC релаксационного генератора является знаменитый NE555. Параметры для этого типа генератора можно найти ниже.

Параметр	Значение
Стабильность (чем меньше, тем лучше)	10^-2 до 10^-3
Регулируемость	более чем 10:1
Диапазон частот	Гц до десятков МГц
Стоимость	Крайне низкая

 

Генераторы задержки и фазового сдвига

 

Для того чтобы аналоговая схема начала генерировать колебания, необходим сдвиг фазы на 180 градусов при единичном усилении в контуре обратной связи. Серия элементов RC может сдвинуть фазу сигнала на необходимые 180 градусов для достижения колебаний.

Тот же эффект можно получить с любым устройством, обеспечивающим адекватную задержку сигнала, например, последовательностью логических элементов НЕ или достаточно длинной катушкой провода.

Генераторы задержки обычно имеют худшую стабильность по сравнению с другими типами генераторов, настолько, что производители полупроводников используют их для тестирования пластин, поскольку их работа сильно зависит от температуры.

Часто последовательно соединенные логические элементы НЕ настолько нестабильны, что колебания частоты генератора можно использовать в качестве генератора истинно случайных чисел.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-2 до 10^-3
Регулируемость	10:1 или меньше
Диапазон частот	10МГц до 100-ов МГц
Стоимость	Крайне низкая, когда является частью другой ИС

 

Резонаторы

 

При рассмотрении источников релаксации и задержек, чем выше их номинальная частота, тем менее практичным становится дизайн.

Резонатор - это устройство или система, которая демонстрирует резонансное поведение, осциллируя с большей амплитудой на некоторых частотах. Во многих типах резонаторов эти частоты имеют тенденцию быть относительно узкими и стабильными, что делает их отличными осцилляторами.

Резонаторы могут резонировать благодаря своим электрическим свойствам (например, LC резонаторы), электромеханическим свойствам (например, керамика, кристаллы и MEMS), распространению электромагнитных волн или даже атомным свойствам для атомных часов.

Почти все может быть резонатором, от небоскребов до полости вашего легкого. Если вы так хотите, вы могли бы использовать маятник в качестве источника часов для вашего следующего проекта, но в этой статье мы ограничим область резонаторами, широко используемыми в электронной промышленности для генерации сигнала тактирования.

LC Резонаторы

LC резонаторы были самым распространенным типом осцилляторов, когда мир работал на беспроводных радио, которые работали на частотах до нескольких сотен мегагерц.

Они состоят из некоторого типа LC сети, подключенной к усилителю, при этом усилитель обеспечивает положительную обратную связь. Наиболее распространенными типами LC осцилляторов являются Колпитц и Хартли.

LC резонаторы имеют лишь умеренную настраиваемость. Ранние радиоприемники использовали переменные индукторы или переменные конденсаторы, но если ваша цель - электронная коррекция частоты, единственным практичным способом является изменение ‘C’ в LC. Трюк заключается в использовании диода с обратным напряжением, показывающего зависимость емкости от обратного напряжения.

Специально разработанные диоды, называемые варикапами, настраиваются для покрытия соотношения емкости до 15:1. Варикап может быть преобразован в отличный преобразователь напряжения в емкость, если поместить конденсатор последовательно с ним, чтобы устранить постоянный обратный ток.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-3 до 10^-5
Настраиваемость	умеренная
Диапазон частот	КГц до 100-х МГц
Стоимость	низкая

 

Кристаллы/XTAL

 

RC-генераторы с хорошо подобранными компонентами могут иметь стабильность 0,1%. LC-генераторы работают немного лучше, около 0,01%. Кристаллы могут работать гораздо, гораздо лучше, как мы увидим вскоре.

Функциональность кристаллических генераторов обусловлена пьезоэлектрическим эффектом и обратным пьезоэлектрическим эффектом. Когда пьезоэлектрический материал механически стимулируется, он производит электрический сигнал. И наоборот, электрическая стимуляция в том же материале будет генерировать механические движения.

Если пьезоэлектрический материал нарезать в соответствующей форме и приложить к нему два электрода, можно создать звуковую волну, стимулируя его электрически. Звуковая волна будет распространяться взад и вперед, также генерируя напряжение. Пьезоэлектрический эффект впервые был задокументирован в середине 18-го века.

Кристаллический генератор в общем можно смоделировать электрически как резистор, индуктивность и конденсатор последовательно, с дополнительным конденсатором параллельно RLC-цепи из-за паразитной емкости покрытых контактов и выводов компонентов.

Все кристаллы имеют не один резонансный режим, а два: последовательный и параллельный.

В режиме последовательного резонанса резонируют C1 и L1, а C0 в процесс не вовлечен. В режиме параллельного резонанса резонируют вместе C0 и C1 с L1.

Когда вы используете интегральную схему, требующую кварцевый генератор, вы должны проверить, указал ли производитель, для какого резонансного режима предназначена деталь, последовательного или параллельного. Их резонансные частоты будут отличаться.

В режиме параллельного резонанса вы можете изменить значение C0, поместив второй конденсатор параллельно. VCXO или генераторы на кварце с управлением напряжением часто создаются с добавлением варикапа параллельно основному кристаллу.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-5
Регулируемость	10^-4
Диапазон частот	Десятки КГц до десятков МГц
Стоимость	средняя

 

Керамические резонаторы (не путать с SAW-генераторами)

 

Подобно кристаллам, керамические резонаторы являются пьезоэлектрическими устройствами, но вместо кварца они изготовлены из керамики.

Керамические резонаторы также имеют электрические свойства, схожие с кварцевыми генераторами, но они менее точны (типичная начальная точность частоты составляет 0,3%) и имеют плохую стабильность (0,2-1% со временем и температурой). Хорошие новости? Они очень дешевы!

Керамические резонаторы занимают иначе пустующую нишу между кристаллическими генераторами и RC, и часто электрически совместимы с первыми.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-5
Регулируемость	10^-4
Диапазон частот	Десятки КГц до десятков МГц
Стоимость	низкая-средняя

TCXO

 

Температурно компенсированные кристаллические генераторы (TCXO) являются улучшением стандартных кристаллов и часто необходимы, когда вам нужна стабильная частота в широком диапазоне температур, например, в промышленных или автомобильных температурных диапазонах, особенно при использовании RTC (часы реального времени).

Они включают в себя активную схемотехнику, которая компенсирует отклонение частоты из-за температуры, обычно используя параллельный резонансный режим и изменяя емкость параллельного эквивалентного конденсатора C0 с помощью варикапа, как было описано ранее.

Более совершенные модели включают микропроцессор, аналого-цифровую схему и таблицу поиска и могут обеспечивать стабильность частоты до 1ppm на протяжении десяти лет.

Параметр	Значение
Стабильность (чем меньше, тем лучше)	10^-6 до 10^-7
Регулируемость	10^-4
Диапазон частот	Десятки КГц до десятков МГц
Стоимость	средняя

 

OCXO

 

Овен-контролируемые кварцевые генераторы (OCXO) могут достигать наивысшей возможной стабильности частоты среди кварцевых генераторов, действительно наивысшей стабильности частоты, возможной без использования атомных источников в той или иной форме.

В OCXO используется особый вид кристалла, который имеет нулевой температурный коэффициент при определенной температуре, обычно между 80 и 90 градусами по Цельсию, и который поддерживается нагретым с помощью электронно-управляемой печи. Таким образом, температурный коэффициент нивелируется двумя способами: за счет максимальной стабилизации температуры и за счет работы в режиме, где он изначально равен нулю.

OCXO, особенно большие, которые могут позволить себе дополнительную теплоизоляцию, настолько хорошо корректируют отклонения температуры, что основная оставшаяся ошибка - это старение кристалла. Некоторые OCXO даже включают в себя микрокомпьютер для компенсации старения с использованием сложных алгоритмов; однако они всегда будут подвержены дрейфу из-за механических ударов и других непредсказуемых физических стимулов.

Недостатком использования OCXO является высокая стоимость и повышенное потребление температуры из-за нагревателя.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-8 до 10^-9
Регулируемость	10^-4
Диапазон частот	10МГц в типичном случае
Стоимость	высокая

 

MEMs

 

MEMs, или микромеханические устройства, обычно изготавливаются из кремния с использованием процессов, аналогичных тем, что используются в производстве интегральных схем.

В настоящее время самым маленьким кристаллическим генератором является FCX-08 от River Electronics, размером 1.2×1.0 мм. Даже если кристалл внутри меньше, для поддержания хороших характеристик со временем кристаллы требуют защиты от загрязнения окружающей среды и воздуха через герметичную упаковку, либо путем пайки (для «больших и дешевых» моделей), либо путем сварки электронными лучами (меньшие, но более дорогие).

MEMs-генераторы могут быть значительно меньше кристаллических генераторов. Последнее поколение iPhone использует MEMs-генераторы, произведенные компанией SiTime, размером всего 0,42x0,42 мм и доступные в корпусах уровня кристалла.

MEMs часто имеют меньшее энергопотребление, чем кристаллические генераторы.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-5
Регулируемость	10^-4
Диапазон частот	Десятки КГц до десятков МГц
Стоимость	высокая

 

ПАВ

 

Генераторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) работают по принципу, схожему с кристаллическими генераторами. Вместо объемной волны, которая изгибает и перемещает весь кристалл, генераторы ПАВ используют поверхностные волны. Обычно они имеют входной и выходной преобразователи и ведут себя подобно аналоговым линиям задержки.

ПАВ обычно изготавливаются из керамики, а не кварца, хотя известны модели из кварца.

ПАВ могут достигать частот до сотен МГц, что значительно выше, чем десятки мегагерц у кристаллов.

ПАВ (поверхностно-акустические волны) могут быть экономически выгодным источником тактирования для общих РЧ частот, таких как 433 МГц. Менее распространенные значения обычно более дорогие, часто дороже, чем кристалл и ИС ФАПЧ.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-4
Регулируемость	10^-4
Диапазон частот	Сотни МГц
Стоимость	средняя

Резонаторы с полостью

 

Резонаторы с полостью обычно используются на микроволновых частотах, и наиболее распространенным примером является магнетрон, присутствующий в микроволновых печах.

Их использование ограничено приложениями РЧ высокой мощности, поэтому мы не будем обсуждать их далее.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-5
Регулируемость	только механическая
Диапазон частот	ГГц до десятков ГГц
Стоимость	высокая

 

Диэлектрические резонаторы

 

Диэлектрические резонаторы - это элементы из диэлектрических материалов, обычно титаната бария или аналогичной керамики, используемые для замены полостных осцилляторов. Их можно приклеивать к РЧ печатным платам аналогично компонентам для поверхностного монтажа. Например, они используются в популярном модуле Доплера HB100.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-4
Регулируемость	только механическая
Диапазон частот	ГГц до десятков ГГц
Стоимость	средняя

Атомные часы

 

Если кварцевый генератор OCXO не обеспечивает необходимую стабильность и точность, атомные часы могут быть меньше и доступнее, чем вы могли представить.

Рубидий

Атомные часы на рубидии являются самыми доступными атомными часами. Лампа разряда рубидия (похожая на маленькую ртутную лампу, как те, что освещают улицы) снизит свою световую мощность примерно на 0,1%, когда её пары рубидия подвергаются воздействию электромагнитного поля на частоте, близкой к частоте её гипертонкого перехода, 6,834,682,612 ГГц.

Частота микроволнового поля синтезируется из 10МГц кварцевого генератора, присутствующего в каждых часах на рубидии. Когда свет понижается, микроконтроллер знает, что частота точно составляет 6,834,682,612 ГГц и может соответственно корректировать кварцевый генератор.

Часы на рубидии становились всё меньше и меньше с течением времени и теперь доступны в упаковках, похожих на DC-DC преобразователи, и весом всего чуть более 30 г.

Параметр	Значение
Стабильность (чем меньше, тем лучше)	10^-10
Регулируемость	-
Диапазон частот	Только 10МГц
Стоимость	200-2000USD

 

GPS/GNSS Управляемые генераторы

 

GPS приемник, присутствующий в ваших телефонах, работает, тщательно сравнивая время прибытия сигналов от различных спутников и триангулируя своё собственное положение.

Для достижения такого результата, на спутниках должны быть установлены чрезвычайно точные атомные часы. GPS спутники обычно имеют атомные часы на рубидии, в то время как более современная система Galileo имеет комбинацию избыточных водородных мазеров и атомных часов на рубидии и может достигать ещё более высокой стабильности.

В обоих случаях сигналы от спутников сравниваются командами экспертов с сетями атомных часов на земле и корректируются несколько раз в день.

Таким образом, система GPS обладает невероятной долгосрочной стабильностью. К сожалению, из-за атмосферных помех краткосрочная стабильность не так хороша.

TXCO и OCXO, часто с рубидиевым резервированием, могут быть синхронизированы с сигналом GPS для достижения сочетания краткосрочной и долгосрочной стабильности при относительно низкой стоимости.

Кроме того, GPS предоставит вам дату и время, не только сигнал часов, таким образом работая как часы и RTC (часы реального времени).

Параметр	Значение
Стабильность (меньше - лучше)	10^-13 (на долгосрочную перспективу)
Регулируемость	-
Диапазон частот	Только 10МГц
Стоимость	50-2000USD

Цезиевые, водородные мазеры и другие дорогие атомные часы

 

Водородный мазер, скорее всего, обойдется вам более чем в сто тысяч долларов, но цезиевые атомные часы стали дешевле и теперь регулярно встречаются во многих средних по размеру центрах обработки данных. Многие центры обработки данных не могут использовать осцилляторы, дисциплинированные GPS, поскольку они чувствительны к глушению и могут перестать работать, если США объявят войну.

Водородный мазер — единственный "реальный и прямой" генератор среди всех коммерчески доступных атомных часов, и как таковой, он чрезвычайно надежен в краткосрочной перспективе, в то время как цезиевые и водородные все еще требуют наличия какого-то вторичного генератора внутри, синхронизированного с основной временной ссылкой.

Параметр	Значение
Стабильность (меньше лучше)	10^-14 для H мазера
Регулируемость	-
Диапазон частот	Только 10МГц
Стоимость	5000-500000USD

Выводы

 

Мы обсудили все доступные источники часов на рынке. Надеемся, этот статья дала вам лучшее понимание преимуществ и недостатков каждого решения.

Источники часов — это редкий вид компонентов, выбор которых может иметь глубокие последствия для стабильности и производительности вашей системы, особенно когда вы интегрируете несколько подсхем от одного сигнала часов или взаимодействуете с внешними ресурсами. Например, любое современное устройство, которое общается через зашифрованные протоколы, такие как TLS, или другие схемы шифрования с открытым/закрытым ключом, должно иметь точное время. Потеряйте это, и ваше устройство больше не сможет общаться с серверами.

Аналогично, неточные RC-генераторы в цифро-аналоговых схемах могут изменять производительность подключенных АЦП и ЦАП, в частности SAR (АЦП с последовательным приближением) и дельта-сигма АЦП и ЦАП.

Кроме того, источники тактирования часто могут быть капризными устройствами. Использование неправильного конденсатора для компенсации кварцевого кристалла или просто выбор конденсатора с высоким температурным коэффициентом может привести к тому, что ваше устройство будет колебаться между неисправным и ненадежным.

Точный выбор и отслеживание компонентов, обеспечение использования только подходящего генератора и подходящего конденсатора для ваших плат, имеет решающее значение. Для достижения этого вам необходимо сделать две вещи.

• Обеспечить надлежащее управление версиями и выпуском ваших проектов.
• Убедиться, что каждый компонент адекватно идентифицирован в BOM.

Concord Pro®, особенно при использовании в Altium 365® с полным доступом к данным Octopart, обеспечивает выполнение обеих задач.

В этом примере я искал один из моих любимых кристаллов, ABM3B-16.000MHZ-B2-T от Abracom в панели поиска производителя (в правом нижнем углу в Altium Designer®). Как вы могли заметить, компонент уже включает в себя посадочное место, символ, техническое описание, полные характеристики, а также информацию о производителе и номере детали производителя. С тремя кликами (правый клик, приобрести, ОК) компонент может быть импортирован на ваш сервер Concord Pro и присоединиться к его братьям и сестрам в вашей библиотеке.

Компонент, размещенный на вашей схеме, теперь будет идентифицироваться единственной парой Производитель/Номер детали производителя. Если вы хотите добавить больше альтернативных частей, это можно сделать через раздел Выбор частей при редактировании компонента.

Ваш проект также необходимо управлять, чтобы обеспечить полную прослеживаемость, как обсуждалось в предыдущей статье. В этом примере, миграция проекта контроллера вентилятора Марка Харриса в облако занимает всего пару кликов.

Инструменты проектирования в Altium Designer® содержат все, что вам нужно, чтобы не отставать от новых технологий. Обратитесь к нам сегодня и узнайте, как мы можем улучшить ваш следующий дизайн печатной платы.