Từ RC đến Đồng hồ Nguyên tử: Tất cả các Nguồn Đồng hồ

Trong hầu hết các mạch hiện đại, đặc biệt là khi liên quan đến mạch số, bạn sẽ tìm thấy một loại nguồn xung nào đó. Tất cả các nguồn xung đều đặt ra một loạt các sự đánh đổi liên quan đến sự ổn định, độ tin cậy, kích thước, mức tiêu thụ năng lượng và chi phí.

May mắn cho chúng ta, những sự đánh đổi này tương đối đơn giản và có thể được giải thích gần như hoàn toàn trong bài viết này. Chúng ta sẽ thảo luận về ưu và nhược điểm của từng nguồn xung, từ RC trong một mạch dao động được cung cấp bởi 555, đến đồng hồ nguyên tử Hydrogen Maser.

Hãy bắt đầu nào!

Nguồn Dao Động và Trễ

Dao Động RC

Dao động cơ học được tạo thành từ một thiết bị chuyển mạch (thường là BJTs, JFETs, Mosfets, hoặc cổng số) và một tụ điện để lưu trữ điện tích. Tụ điện được sạc lên đến một mức điện áp xác định, sau đó trạng thái của thiết bị thay đổi và tụ điện được xả. Mạch dao động giữa trạng thái sạc và xả.

Dao động cơ học không tạo ra tín hiệu sin. Thay vào đó, chúng tạo ra tín hiệu dạng lưỡi cưa và sóng vuông.

Một ví dụ điển hình của dao động cơ học RC là NE555 nổi tiếng. Các thông số cho loại dao động này có thể được tìm thấy dưới đây.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-2 đến 10^-3
Khả năng điều chỉnh	trên 10:1
Dải tần số	Hz đến hàng chục Mhz
Chi phí	Cực kỳ thấp

 

Dao động kỳ và Dao động pha

 

Yêu cầu để một mạch tương tự dao động là một sự dịch chuyển pha 180 độ tại lợi nhuận đơn vị trong một vòng lặp phản hồi. Một chuỗi các yếu tố RC có thể dịch chuyển pha của tín hiệu đến sự dịch chuyển 180 độ cần thiết để đạt được dao động.

Bạn có thể đạt được hiệu ứng tương tự với bất kỳ thiết bị nào cung cấp đủ độ trễ trong tín hiệu, ví dụ, một chuỗi các cổng NOT nối tiếp hoặc một cuộn dây dài đủ để thực hiện công việc.

Dao động trễ thường có độ ổn định kém hơn so với các loại dao động khác, đến mức mà các nhà sản xuất bán dẫn sử dụng chúng để kiểm tra wafer, vì hiệu suất của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.

Thường thì các cổng NOT nối tiếp không ổn định đến mức bạn có thể sử dụng sự biến động tần số của dao động kỳ làm máy phát số ngẫu nhiên thực sự.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-2 đến 10^-3
Khả năng điều chỉnh	10:1 hoặc ít hơn
Dải tần số	10Mhz đến hàng trăm Mhz
Chi phí	Cực kỳ thấp khi là một phần của IC khác

 

Các loại cộng hưởng

 

Khi xem xét các nguồn gây ra sự thư giãn và trễ, tần số danh nghĩa càng cao thì thiết kế càng trở nên không thực tế.

Một cộng hưởng là thiết bị hoặc hệ thống thể hiện hành vi cộng hưởng, dao động với biên độ cao hơn ở một số tần số. Trong nhiều loại cộng hưởng, các tần số này có xu hướng hẹp và ổn định, làm cho chúng trở thành các dao động kỳ xuất sắc.

Cộng hưởng có thể do các tính chất điện (ví dụ, cộng hưởng LC), tính chất điện cơ (ví dụ, gốm, tinh thể, và MEMS), sự lan truyền sóng điện từ, hoặc thậm chí là tính chất nguyên tử cho đồng hồ nguyên tử.

Gần như mọi thứ đều có thể là một cộng hưởng, từ những tòa nhà chọc trời đến khoang phổi của bạn. Nếu bạn muốn, bạn có thể sử dụng một con lắc làm nguồn đồng hồ tiếp theo của mình, nhưng trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới hạn phạm vi ở các loại cộng hưởng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử để tạo ra tín hiệu đồng hồ.

Cộng hưởng LC

Các bộ dao động LC từng là loại dao động được sử dụng rộng rãi nhất khi thế giới hoạt động dựa vào các loại radio không dây có tần số dưới vài trăm megahertz.

Chúng bao gồm một loại mạng lưới LC nào đó được kết nối với một bộ khuếch đại, với bộ khuếch đại cung cấp phản hồi tích cực. Các loại dao động LC phổ biến nhất là Colpitts và Hartley.

Các bộ dao động LC chỉ có thể điều chỉnh một cách khiêm tốn. Các radio đầu tiên sử dụng cuộn cảm biến thiên hoặc tụ điện biến thiên, nhưng nếu mục tiêu của bạn là điều chỉnh tần số điện tử, cách duy nhất khả thi là thay đổi ‘C’ trong LC. Mẹo là sử dụng một khớp nối điốt cực ngược có khả năng hiển thị dung kháng biến thiên theo điện áp khi đảo cực.

Các loại điốt được thiết kế đặc biệt, gọi là varactors, được điều chỉnh để phủ kín tới tỷ lệ 15:1 về dung kháng. Một varactor có thể được biến đổi thành một bộ chuyển đổi điện áp sang dung kháng xuất sắc bằng cách đặt một tụ điện nối tiếp với nó để loại bỏ dòng điện ngược cực DC.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-3 đến 10^-5
Khả năng điều chỉnh	khiêm tốn
Phạm vi tần số	Khz đến hàng trăm Mhz
Chi phí	thấp

 

Kristal/XTAL

 

Các dao động RC với các thành phần được chọn lựa kỹ có thể có độ ổn định 0.1%. Các dao động LC thì tốt hơn một chút, khoảng 0.01%. Các tinh thể có thể làm tốt hơn nhiều, như chúng ta sẽ thấy ngay sau đây.

Chức năng của các dao động tinh thể nhờ vào hiệu ứng piezoelectric và hiệu ứng piezoelectric ngược lại. Khi một vật liệu piezoelectric được kích thích cơ học, nó tạo ra một tín hiệu điện. Ngược lại, một kích thích điện trong cùng một vật liệu sẽ tạo ra chuyển động cơ học.

Nếu một vật liệu piezoelectric được cắt thành hình dạng thích hợp và hai điện cực được áp dụng vào nó, có thể tạo ra một sóng âm bằng cách kích thích nó bằng điện. Sóng âm sẽ lan truyền qua lại, tạo ra một điện áp cũng như vậy. Hiệu ứng piezoelectric được ghi nhận lần đầu tiên vào giữa thế kỷ 18.

Một dao động tinh thể nói chung có thể được mô hình hóa về mặt điện như một điện trở, một cuộn cảm và một tụ điện nối tiếp, với một tụ điện khác nối song song với chuỗi RLC do dung lượng nhiễm của các tiếp điểm mạ và chân linh kiện.

Tất cả các tinh thể không chỉ có một chế độ cộng hưởng, mà là hai: cộng hưởng loạt và cộng hưởng song song.

Trong chế độ cộng hưởng nối tiếp, C1 và L1 cộng hưởng, và C0 không tham gia vào quá trình này. Trong chế độ cộng hưởng song song, C0 và C1 cộng hưởng cùng với L1.

Khi bạn sử dụng một IC yêu cầu một dao động thạch anh, bạn nên xác minh nếu nhà sản xuất đã chỉ định chế độ cộng hưởng nào mà bộ phận được chỉ định, nối tiếp hay song song. Tần số cộng hưởng của chúng sẽ khác nhau.

Trong chế độ cộng hưởng song song, bạn có thể thay đổi giá trị của C0 bằng cách đặt một tụ điện thứ hai song song. VCXO, hay dao động thạch anh điều khiển bằng điện áp, thường được tạo ra với một varactor song song với thạch anh chính.

Tham số	Giá trị
Ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-5
Khả năng điều chỉnh	10^-4
Dải tần số	Từ hàng chục Khz đến hàng chục Mhz
Chi phí	trung bình

 

Dao Động Gốm (không nên nhầm lẫn với Dao Động SAW)

 

Tương tự như thạch anh, dao động gốm là các thiết bị piezoelectric, nhưng thay vì được làm từ thạch anh, chúng được làm từ gốm.

Các cộng hưởng gốm có các tính chất điện tương tự như dao động thạch anh, nhưng kém chính xác hơn (độ chính xác tần số ban đầu thường là 0.3%) và có độ ổn định kém (0.2-1% theo thời gian và nhiệt độ). Tin tốt là gì? Chúng cực kỳ rẻ!

Các cộng hưởng gốm lấp đầy một lĩnh vực trống rỗng giữa dao động thạch anh và RC, và thường tương thích về mặt điện với loại trước.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-5
Khả năng điều chỉnh	10^-4
Dải tần	Từ hàng chục Khz đến hàng chục Mhz
Chi phí	thấp-trung bình

TCXO

 

Dao động thạch anh bù nhiệt (TCXO) là một cải tiến so với các tinh thể tiêu chuẩn và thường là cần thiết khi bạn cần tần số ổn định trong một phạm vi nhiệt độ rộng, ví dụ như trong các phạm vi nhiệt độ công nghiệp hoặc ô tô, đặc biệt là khi sử dụng một Đồng hồ thời gian thực (RTC).

Chúng bao gồm mạch điện tử hoạt động bù cho sự lệch tần số do nhiệt độ, thường bằng cách sử dụng chế độ cộng hưởng song song và thay đổi điện dung của tụ điện tương đương song song C0 bằng một varactor, như đã mô tả trước đó.

Các mẫu cao cấp hơn bao gồm một vi xử lý, mạch kỹ thuật số-tương tự và một bảng tra cứu, và có thể hiển thị đến 1ppm sự thay đổi tần số trong mười năm.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-6 đến 10^-7
Khả năng điều chỉnh	10^-4
Dải tần số	10’s Khz đến 10’s Mhz
Chi phí	trung bình

 

OCXO

 

Bộ Dao Động Tinh Thể Điều Khiển Bằng Lò (OCXO), có thể đạt được độ ổn định tần số cao nhất có thể với một bộ dao động tinh thể, thực sự là độ ổn định tần số cao nhất có thể mà không cần đến nguồn nguyên tử dưới một hình thức nào đó.

Trong một OCXO, một loại tinh thể đặc biệt có hệ số nhiệt độ bằng không tại một nhiệt độ cụ thể, thường là giữa 80 và 90 độ Celsius, được giữ nóng bởi một lò điều khiển điện tử. Như vậy, hệ số nhiệt độ được làm cho bằng không theo hai cách khác nhau: bằng cách ổn định nhiệt độ càng nhiều càng tốt và bằng cách hoạt động trong một chế độ nơi nó bằng không ngay từ đầu.

OCXO, đặc biệt là những loại lớn hơn có thể chứa thêm cách nhiệt, rất giỏi trong việc điều chỉnh các sai số nhiệt độ đến mức lỗi chính còn lại là sự lão hóa của tinh thể. Một số OCXO thậm chí còn tích hợp một vi xử lý nhỏ để bù đắp cho sự lão hóa bằng cách sử dụng các thuật toán phức tạp; tuy nhiên, chúng luôn phải đối mặt với sự dịch chuyển do sốc cơ học và các kích thích vật lý không lường trước được.

Nhược điểm của việc sử dụng OCXO là chi phí cao và tiêu thụ nhiệt độ cao do bộ sưởi.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-8 đến 10^-9
Khả năng điều chỉnh	10^-4
Dải tần số	10Mhz thông thường
Chi phí	cao

 

MEMs

 

MEMs, hay các thiết bị vi cơ khí, thường được sản xuất từ silicon bằng các quy trình tương tự như được sử dụng trong sản xuất mạch tích hợp.

Hiện tại, dao động tinh thể nhỏ nhất là FCX-08 của River Electronics, với kích thước 1.2×1.0mm. Ngay cả khi tinh thể bên trong nhỏ hơn, để duy trì các thông số kỹ thuật tốt theo thời gian, tinh thể cần được bảo vệ khỏi ô nhiễm môi trường và không khí thông qua bao bì kín, bằng cách hàn (đối với các mẫu "lớn và rẻ") hoặc hàn bằng tia electron (nhỏ hơn nhưng đắt hơn).

Các dao động MEMs có thể nhỏ hơn nhiều so với các dao động kết tinh. Các thế hệ iPhone mới nhất sử dụng dao động MEMs được sản xuất bởi SiTime, chỉ với kích thước 0.42x0.42mm và có sẵn trong gói cấp wafer.

MEMs thường có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các dao động kết tinh.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-5
Khả năng điều chỉnh	10^-4
Dải tần số	Từ hàng chục Khz đến hàng chục Mhz
Chi phí	cao

 

SAW

 

Dao động sóng âm bề mặt (SAW) hoạt động tương tự như dao động kết tinh. Thay vì một sóng khối làm cong và di chuyển toàn bộ tinh thể, dao động SAW sử dụng sóng bề mặt. Chúng thường có một bộ chuyển đổi đầu vào và một bộ chuyển đổi đầu ra, và hoạt động tương tự như các dòng trễ tương tự.

SAW thường được sản xuất bằng gốm chứ không phải thạch anh, mặc dù cũng có mô hình thạch anh được biết đến.

SAW có thể đạt tần số lên đến hàng trăm MHz, cao hơn nhiều so với hàng chục megahertz của tinh thể.

SAWs có thể là một nguồn phát xung giá rẻ khả thi cho các tần số RF phổ biến như 433Mhz. Các giá trị ít phổ biến hơn thường đắt hơn, thường cao hơn một tinh thể và một IC PLL.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-4
Khả năng điều chỉnh	10^-4
Phạm vi tần số	100’s Mhz
Chi phí	trung bình

Các bộ cộng hưởng hố

 

Các bộ cộng hưởng hố thường được sử dụng ở các tần số vi sóng, và ví dụ phổ biến nhất là magnetron hố có trong lò vi sóng.

Chúng chỉ được sử dụng trong các ứng dụng RF công suất cao, vì vậy chúng tôi sẽ không thảo luận thêm về chúng.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-5
Khả năng điều chỉnh	chỉ cơ học
Phạm vi tần số	Ghz đến 10’s Ghz
Chi phí	cao

 

Điện môi cộng hưởng

 

Các bộ cộng hưởng điện mô là những mảnh vật liệu điện mô, thường là titanat bari hoặc một loại gốm tương tự, và được sử dụng để thay thế cho các dao động kỹ thuật hốc. Bạn có thể dán các bộ cộng hưởng điện mô vào PCB RF tương tự như lắp đặt các thành phần gắn mặt. Chúng được sử dụng, ví dụ, trong mô-đun Doppler HB100 phổ biến.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-4
Khả năng điều chỉnh	chỉ cơ học
Dải tần số	Ghz đến 10’s Ghz
Chi phí	trung bình

Đồng hồ nguyên tử

 

Nếu một dao động tinh thể OCXO không đáp ứng được về độ ổn định và độ chính xác, đồng hồ nguyên tử có thể nhỏ gọn và giá cả phải chăng hơn bạn nghĩ.

Rubiđi

Đồng hồ nguyên tử rubiđi là loại đồng hồ nguyên tử có giá cả phải chăng nhất. Một bóng đèn phóng điện rubiđi (tương tự như một bóng đèn thủy ngân nhỏ, như những cái chiếu sáng đường phố) sẽ giảm cường độ ánh sáng khoảng 0.1% khi hơi rubiđi của nó tiếp xúc với một trường điện từ ở tần số gần với sự chuyển tiếp hyperfine của nó, 6.834,682,612 GHz.

Tần số của trường sóng vi ba được tổng hợp từ dao động thạch anh 10Mhz có mặt trong mọi đồng hồ rubidi. Khi ánh sáng giảm xuống, vi điều khiển biết rằng tần số chính xác là 6.834,682,612 GHz và có thể điều chỉnh dao động thạch anh một cách tương ứng.

Đồng hồ rubidi đã trở nên nhỏ gọn hơn qua các năm, và giờ đây có sẵn trong các gói hàng tương tự như bộ chuyển đổi DC-DC và trọng lượng chỉ hơn 30g.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-10
Khả năng điều chỉnh	-
Phạm vi tần số	Chỉ 10Mhz
Chi phí	200-2000USD

 

Dao động kỷ luật bởi GPS/GNSS

 

Bộ thu GPS có mặt trong điện thoại của bạn hoạt động bằng cách so sánh cẩn thận thời gian đến của tín hiệu từ các vệ tinh khác nhau và định vị chính xác vị trí của mình.

Để đạt được điều này, các vệ tinh phải có đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác trên boong. Các vệ tinh GPS thường có Đồng hồ Nguyên tử Rubidi, trong khi hệ thống Galileo hiện đại hơn có sự kết hợp của Đồng hồ Nguyên tử Hydro Maser và Rubidi dư thừa và có thể đạt được độ ổn định cao hơn.

Trong cả hai trường hợp, tín hiệu từ các vệ tinh được so sánh bởi các đội ngũ chuyên gia với mạng lưới đồng hồ nguyên tử trên mặt đất và được điều chỉnh nhiều lần mỗi ngày.

Do đó, hệ thống GPS có độ ổn định dài hạn đáng kinh ngạc. Tuy nhiên, do sự can thiệp của bầu khí quyển, độ ổn định ngắn hạn không tốt như vậy.

TXCO và OCXO, thường kèm theo một hệ thống dự phòng rubidium, có thể được đồng bộ hóa với tín hiệu GPS để đạt được sự kết hợp giữa độ ổn định ngắn hạn và dài hạn, với chi phí tương đối thấp.

Ngoài ra, GPS sẽ cung cấp cho bạn ngày và giờ, không chỉ là tín hiệu đồng hồ giữ thời gian, do đó hoạt động như cả một chiếc đồng hồ và một RTC (Đồng Hồ Thực Tế).

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-13 (dài hạn)
Khả năng điều chỉnh	-
Dải tần số	Chỉ 10Mhz
Chi phí	50-2000USD

Đồng Hồ Nguyên Tử Cesium, Máy Maser Hydro và Các Loại Đồng Hồ Nguyên Tử Đắt Tiền Khác

 

Một Máy Maser Hydro có thể khiến bạn mất hơn một trăm nghìn đô la, nhưng Đồng Hồ Nguyên Tử Cesium đã trở nên rẻ hơn và hiện nay thường được tìm thấy trong nhiều trung tâm dữ liệu có kích thước hợp lý. Nhiều trung tâm dữ liệu không thể sử dụng dao động kỷ luật GPS, vì chúng nhạy cảm với việc bị gây nhiễu và có thể ngừng hoạt động nếu Mỹ tuyên bố chiến tranh.

Máy Maser Hydro là bộ dao động “thực sự và trực tiếp” duy nhất trong số tất cả các đồng hồ nguyên tử có sẵn trên thị trường, và như vậy, chúng cực kỳ đáng tin cậy trong ngắn hạn cũng như vậy, trong khi Cesium và Hydro vẫn cần phải có một loại bộ dao động phụ nào đó bên trong được đồng bộ với tham chiếu thời gian chính.

Tham số	Giá trị
Độ ổn định (càng thấp càng tốt)	10^-14 cho H Maser
Khả năng điều chỉnh	-
Dải tần số	Chỉ 10Mhz
Chi phí	5000-500000USD

Kết luận

 

Chúng tôi đã thảo luận về tất cả các nguồn đồng hồ có sẵn trên thị trường. Hy vọng, bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ hơn về ưu và nhược điểm của từng giải pháp.

Nguồn đồng hồ là loại linh kiện hiếm hoi mà sự lựa chọn của nó có thể có những hậu quả sâu rộng đối với sự ổn định và hiệu suất của hệ thống của bạn, đặc biệt là khi bạn đang tích hợp nhiều mạch phụ từ một tín hiệu đồng hồ duy nhất, hoặc giao tiếp với các nguồn lực bên ngoài. Ví dụ, bất kỳ thiết bị hiện đại nào giao tiếp thông qua các giao thức mã hóa như TLS, hoặc các lược đồ mã hóa khóa công khai/riêng tư khác, đều phải có khả năng giữ thời gian chính xác. Mất điều này, và thiết bị của bạn sẽ không thể giao tiếp với các máy chủ nữa.

Tương tự, các bộ đếm thời gian RC không chính xác trong thiết kế tương tự số có thể thay đổi hiệu suất của các ADC và DAC kết nối, đặc biệt là các ADC SAR (Successive Approximation Register) và ADC và DAC Delta-sigma.

Ngoài ra, các nguồn clock thường có thể là những thiết bị khó lường. Sử dụng tụ điện sai để bù cho tinh thể quartz, hoặc đơn giản là chọn một cái có hệ số nhiệt độ cao, và thiết bị của bạn sẽ dao động giữa hỏng và không đáng tin cậy.

Việc chọn lựa và theo dõi linh kiện một cách chính xác, đảm bảo chỉ có dao động kỹ thuật số và tụ điện phù hợp được lắp vào bảng mạch của bạn là vô cùng quan trọng. Để đạt được điều này, bạn cần làm hai việc.

• Đảm bảo quản lý phiên bản và phát hành dự án một cách đúng đắn.
• Đảm bảo mỗi linh kiện được xác định một cách đầy đủ trong BOM.

Concord Pro®, đặc biệt khi được lưu trữ trong Altium 365® với quyền truy cập đầy đủ vào dữ liệu của Octopart, đảm bảo cả hai.

Trong ví dụ này, tôi đã tìm kiếm một trong những loại tinh thể yêu thích của mình, Abracom’s ABM3B-16.000MHZ-B2-T trong bảng Tìm kiếm Phần của Nhà sản xuất (góc dưới bên phải trong Altium Designer®). Như bạn có thể đã quan sát, linh kiện này đã bao gồm footprint, biểu tượng, bảng dữ liệu, mô tả đầy đủ, nhà sản xuất và số phần của nhà sản xuất. Chỉ với ba cú nhấp chuột (nhấp chuột phải, chọn mua, OK) linh kiện có thể được nhập vào máy chủ Concord Pro của bạn và gia nhập với các anh chị em trong thư viện của bạn.

Linh kiện được đặt trên sơ đồ của bạn giờ đây sẽ được xác định bởi một cặp Nhà sản xuất/MPN duy nhất. Nếu bạn muốn thêm các phần thay thế khác, điều này có thể được thực hiện thông qua phần Lựa chọn Phần khi chỉnh sửa linh kiện.

Dự án của bạn cũng cần được quản lý tốt để đảm bảo tính toàn vẹn hoàn toàn như đã thảo luận trong một bài viết trước đó. Trong ví dụ này, việc chuyển dự án Điều khiển Quạt của Mark Harris lên đám mây chỉ mất vài cú nhấp chuột.

Các công cụ thiết kế trong Altium Designer® bao gồm mọi thứ bạn cần để theo kịp với công nghệ mới. Hãy nói chuyện với chúng tôi hôm nay để tìm hiểu làm thế nào chúng tôi có thể nâng cao thiết kế PCB tiếp theo của bạn.