يعد توقيت الدائرة وظيفة بالغة الأهمية تتطلبها العديد من الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك وحدات التحكم الدقيقة وواجهات USB وEthernet وWi{0}}Fi وBluetooth، بالإضافة إلى أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الطرفية والأجهزة الطبية ومعدات الاختبار والقياس والتحكم الصناعي والأتمتة وإنترنت الأشياء (IoT) والأجهزة القابلة للارتداء والإلكترونيات الاستهلاكية. أثناء تصميم مذبذب بلوري- لتوفير توقيت النظام قد يبدو بسيطًا في البداية، إلا أنه يجب على المصممين مراعاة العديد من المعلمات ومتطلبات التصميم عند مطابقة بلورة الكوارتز مع دائرة المذبذب IC.
هناك العديد من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار، بما في ذلك مقاومة الحركة البلورية، ووضع الرنين، وقوة المحرك، والمقاومة السلبية للمذبذب. فيما يتعلق بتخطيط الدائرة، يجب على المصممين مراعاة السعة الطفيلية لثنائي الفينيل متعدد الكلور، وإضافة شريط حماية حول البلورة، ودمج - مكثفات الشريحة. يجب أن يكون التصميم النهائي مدمجًا وموثوقًا، مع أقل عدد من المكونات، وارتعاش منخفض لمتوسط الجذر (RMS)، وأقل استهلاك للطاقة عبر نطاق واسع من جهد الإدخال.
يعد المذبذب البلوري البسيط (SPXO) أحد الحلول. تم تحسين مذبذبات الجهد المستمر هذه للاستهلاك المنخفض للطاقة وانخفاض ارتعاش RMS ويمكن أن تعمل عند أي جهد يتراوح بين 1.60 فولت و3.60 فولت، مما يتيح للمصممين تحقيق حل يمكن دمجه في النظام بأقل جهد تصميمي.
ستناقش هذه المقالة بإيجاز بعض متطلبات الأداء المهمة التي يجب الوفاء بها وتحديات التصميم التي يجب التغلب عليها عند تصميم دوائر التوقيت باستخدام بلورات الكوارتز المنفصلة ودوائر التوقيت المرحلية. وسيقدم بعد ذلك حلول SPXO من Abracon ويشرح كيف يمكن للمصممين استخدام هذه الأجهزة لتلبية متطلبات التوقيت للأنظمة الإلكترونية بشكل فعال.
تشغيل المذبذب البلوري وتحديات التصميم
يعد استهلاك الطاقة أحد الاعتبارات المهمة بالنسبة للأجهزة اللاسلكية{0}}التي تعمل بالبطاريات الصغيرة. تعتمد العديد من هذه الأجهزة على نظام طاقة-منخفض-عالي الطاقة-معتمد على شرائح راديو ومعالجات (SoC) يمكنها دعم عمر البطارية الممتد لعدة سنوات. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن البطارية غالبًا ما تكون أغلى مكون في النظام، فإن تقليل حجمها يعد أمرًا بالغ الأهمية للتحكم في تكاليف الجهاز. ومع ذلك، غالبًا ما يكون التيار الاحتياطي هو الاعتبار الأكثر أهمية لعمر البطارية في الأنظمة اللاسلكية الصغيرة، وغالبًا ما يهيمن مذبذب الساعة على التيار الاحتياطي. لذلك، من المهم تقليل الاستهلاك الحالي للمذبذب.
لسوء الحظ، قد يكون تصميم مذبذب منخفض الطاقة- أمرًا صعبًا. تتمثل إحدى طرق توفير الطاقة في تقليل التيار الاحتياطي عن طريق الدخول في حالة "تعطيل" وبدء تشغيل المذبذب عند الحاجة. ومع ذلك، فإن الحاجة إلى تشغيل مذبذب بلوري بسرعة وبشكل موثوق ليست مهمة سهلة. يجب أن يتأكد المصممون من بقاء المذبذب في حالة تيار منخفض-أثناء وضع الاستعداد وأن يتمتع بخصائص بدء تشغيل موثوقة في جميع ظروف التشغيل والبيئة.
يتم العثور على تكوين مذبذب بيرس بشكل شائع في -شرائح SoC اللاسلكية منخفضة الطاقة (الشكل 1). تم إنشاء مذبذب بيرس باستخدام بلورة (X) ومكثفات حمل (C1 وC2)، محاطة بمضخم مقلوب مزود بمقاومة تغذية راجعة داخلية. في ظل ظروف مناسبة، عندما يتم تغذية خرج مكبر الصوت مرة أخرى إلى الإدخال، يتم إنشاء مقاومة سلبية، مما يؤدي إلى التذبذب.
الشكل 1: تكوين مذبذب بيرس الأساسي المبني على الكريستال (X) ومكثفات الحمل C1 وC2.
التركيب البلوري معقد. تغطي هذه المناقشة فقط الطبقة العليا والبنية المبسطة للبلورات العاملة في المذبذبات.
يمكن استخدام هامش كسب الحلقة المغلقة -Gm كرقم جدارة (FOM) لوصف موثوقية المذبذب بالنسبة إلى الخسائر المختلفة. ويشار أيضًا إلى هامش كسب الحلقة المغلقة - بهامش التذبذب (OA). يمكن أن تؤدي قيمة الوصول الحر الأقل من 5 إلى انخفاض إنتاجية الإنتاج ومشكلات متعلقة ببدء التشغيل بدرجة الحرارة-. تتميز التصميمات ذات قيمة الوصول الحر البالغة 20 أو أعلى بالقوة والمتانة، وتعمل بشكل موثوق ضمن نطاق درجة حرارة تشغيل التصميم، وتظهر تأثيرًا ضئيلًا من دفعات الإنتاج المختلفة على خصائص أداء الكريستال وSOC.
لقياس OA للمذبذب، يمكن إضافة المقاوم المتغير Ra إلى الدائرة (الشكل 2). قم بزيادة قيمة Ra حتى يفشل المذبذب في البدء. هذه هي الطريقة المستخدمة لتحديد قيمة الوصول المفتوح، كما هو موضح أدناه:
المعادلة 1
أين:
Rn هي المقاومة السلبية
Re هي مقاومة السلسلة المكافئة (ESR).
المعادلة 2
المعادلة 3
حيث يتم حساب سعة الحمل CL كما يلي:
المعادلة 4
حيث Cs هو المكثف المتغير للدائرة، وتتراوح قيمة السعة عادةً بين 3.0 و5.0 pF.
الشكل 2: يوضح النموذج البلوري الممتد (المربع الأوسط) والمقاوم القابل للتعديل (Ra) المستخدم لقياس هامش التذبذب.
يعتمد OA على ESR (Re)، ويعتمد ESR على معلمات كريستال الكوارتز Rm وسعة التحميل CL. بالنسبة للمذبذبات منخفضة الطاقة-، مثل تلك المستخدمة في الأجهزة اللاسلكية منخفضة الطاقة-، يزداد تأثير Rm وCL على الوصول المفتوح. يستغرق قياس الوصول المفتوح وقتًا-وقد يؤدي إلى إطالة عملية التطوير. ولذلك، قد يتم إهمال هذه المهمة، مما يؤدي إلى حدوث مشكلات في الأداء عند وضع النظام أو الجهاز في مرحلة الإنتاج.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تعيين وصول وصول عالي لضمان التشغيل الموثوق للمذبذب إلى حدوث مشكلات أخرى. على سبيل المثال، في حين أن OA الأعلى يعمل على تحسين أداء دائرة المذبذب، إلا أنه قد يتجاهل فقدان الطاقة الناتج عن البلورة. مثل هذه الخسائر يمكن أن تكون عاملا هاما. بالإشارة إلى الشكل 2، فإن مقاومة حركة البلورة Rm تتسبب في تبديد الطاقة حيث يتدفق التيار بشكل دوري عبر المقاومة. عندما يكون CL كبيرًا، فإنه يزيد من التيار والخسائر. ولذلك، يحتاج المصممون إلى تحقيق التوازن بين فقدان الطاقة البلورية وقيمة الوصول المفتوح المعقولة.
تجنب الارتعاش
عند تصميم مذبذب كريستال الكوارتز، من المهم فهم الارتعاش وتقليله. هناك نوعان من الارتعاش، ويتم قياسهما عادةً بقيمة الجذر التربيعي المتوسط (RMS):
ارتعاش الفترة: يُعرف أيضًا باسم ارتعاش الطور، ويشير إلى الحد الأقصى للفارق الزمني بين عدة فترات تذبذب مُقاسة، والتي يتم قياسها عادةً على مدى 10 فترات على الأقل.
ارتعاش الدورة: هذا هو أقصى تباين في حافة الساعة، ويتم قياسه لكل دورة بدلاً من الدورات المتعددة.
تشمل المصادر الرئيسية للارتعاش في مذبذبات كريستال الكوارتز ضوضاء مصدر الطاقة، والتوافقيات الصحيحة لتردد الإشارة، وظروف التحميل والإنهاء غير المناسبة، وضوضاء مكبر الصوت، وتكوينات معينة للدوائر. اعتمادًا على المصدر، يمكن استخدام طرق مختلفة لتقليل الارتعاش.
استخدم المكثفات الالتفافية، أو ملفات حث الرقائق، أو مرشحات مكثفات المقاومة (RC) للتحكم في ضوضاء مصدر الطاقة.
في التطبيقات الهامة التي تتطلب ارتعاشًا منخفضًا للغاية، يعد إنشاء طريقة للتحكم في التوافقيات أمرًا بالغ الأهمية (خارج نطاق هذه المقالة).
قم بتقليل الطاقة المنعكسة مرة أخرى إلى الإخراج عن طريق تحسين ظروف التحميل والإنهاء.
تجنب التصميمات التي تشتمل على -حلقات مقفلة الطور، أو مضاعفات، أو وظائف قابلة للبرمجة، حيث أنها تزيد من عدم الاستقرار في كثير من الأحيان.
المذبذبات الكريستالية ذات الجهد المستمر
يعد استخدام ASADV وASDDV وASEDV SPXOs من Abracon مفيدًا لتصميم الأنظمة حيث يتراوح جهد التحيز بين 1.60 و3.60 فولت (الشكل 3). تغطي سلسلة SPXO نطاقات تردد مختلفة؛ تعمل أجهزة ASADV بترددات من 1.25 ميجاهرتز إلى 100 ميجاهرتز، بينما تعمل أجهزة ASDDV وASEDV من 1 ميجاهرتز إلى 160 ميجاهرتز. تتوافق السلسلة مع معايير RoHS/RoHS II وتستخدم تغليف جهاز التثبيت (SMD) بسطح خزفي محكم الغلق. ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 درجة إلى +85 درجة، تحقق السلسلة استقرار التردد بمقدار ±25 جزء في المليون.
يعتمد OA على ESR (Re)، ويعتمد ESR على معلمات بلورات الكوارتز Rm وسعة التحميل CL. بالنسبة للمذبذبات منخفضة الطاقة-، مثل تلك المستخدمة في الأجهزة اللاسلكية منخفضة الطاقة-، يزداد تأثير Rm وCL على الوصول المفتوح. يستغرق قياس الوصول المفتوح وقتًا-وقد يؤدي إلى إطالة عملية التطوير. ولذلك، قد يتم إهمال هذه المهمة، مما يؤدي إلى حدوث مشكلات في الأداء عند وضع النظام أو الجهاز في مرحلة الإنتاج.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تعيين وصول وصول عالي لضمان التشغيل الموثوق للمذبذب إلى حدوث مشكلات أخرى. على سبيل المثال، في حين أن OA الأعلى يعمل على تحسين أداء دائرة المذبذب، إلا أنه قد يتجاهل فقدان الطاقة الناتج عن البلورة. مثل هذه الخسائر يمكن أن تكون عاملا هاما. بالإشارة إلى الشكل 2، فإن مقاومة حركة البلورة Rm تتسبب في تبديد الطاقة حيث يتدفق التيار بشكل دوري عبر المقاومة. عندما يكون CL كبيرًا، فإنه يزيد من التيار والخسائر. ولذلك، يحتاج المصممون إلى تحقيق التوازن بين فقدان الطاقة البلورية وقيمة الوصول المفتوح المعقولة.
تجنب الارتعاش
عند تصميم مذبذب كريستال الكوارتز، من المهم فهم الارتعاش وتقليله. هناك نوعان من الارتعاش، ويتم قياسهما عادةً بقيمة الجذر التربيعي المتوسط (RMS):
ارتعاش الفترة: يُعرف أيضًا باسم ارتعاش الطور، ويشير إلى الحد الأقصى للفارق الزمني بين عدة فترات تذبذب مُقاسة، والتي يتم قياسها عادةً على مدى 10 فترات على الأقل.
ارتعاش الدورة: هذا هو أقصى تباين في حافة الساعة، ويتم قياسه لكل دورة بدلاً من الدورات المتعددة.
تشمل المصادر الرئيسية للارتعاش في مذبذبات كريستال الكوارتز ضوضاء مصدر الطاقة، والتوافقيات الصحيحة لتردد الإشارة، وظروف التحميل والإنهاء غير المناسبة، وضوضاء مكبر الصوت، وتكوينات معينة للدوائر. اعتمادًا على المصدر، يمكن استخدام طرق مختلفة لتقليل الارتعاش.
استخدم المكثفات الالتفافية، أو ملفات حث الرقائق، أو مرشحات مكثفات المقاومة (RC) للتحكم في ضوضاء مصدر الطاقة.
في التطبيقات الهامة التي تتطلب ارتعاشًا منخفضًا للغاية، يعد إنشاء طريقة للتحكم في التوافقيات أمرًا بالغ الأهمية (خارج نطاق هذه المقالة).
قم بتقليل الطاقة المنعكسة مرة أخرى إلى الإخراج عن طريق تحسين ظروف التحميل والإنهاء.
تجنب التصميمات التي تشتمل على -حلقات مقفلة الطور، أو مضاعفات، أو وظائف قابلة للبرمجة، حيث أنها تزيد من عدم الاستقرار في كثير من الأحيان.
ملخص
يحتاج المصممون إلى مذبذبات دقيقة وموثوقة لتوفير توقيت ثابت عبر مجموعة واسعة من التطبيقات ودرجات حرارة التشغيل. يمكن أن تلبي المذبذبات البلورية المنفصلة-خصائص الأداء المطلوبة، ولكن من الصعب تقنيًا تصميمها بشكل فعال باستخدام البلورات، الأمر الذي يستغرق وقتًا-ويستغرق وقتًا طويلاً وينتج عنه تكاليف غير ضرورية. بالإضافة إلى ذلك، فهي ليست الخيار الأمثل من حيث عامل الشكل.
كما هو موضح في الشكل، يمكن للمصممين استخدام أجهزة SPXO المدمجة منخفضة الطاقة. تشكل أجهزة SPXO هذه -حل توقيت-جاهز للاستخدام، مما يحقق استقرارًا ممتازًا للتردد عبر نطاق واسع جدًا من درجات حرارة التشغيل. باستخدام SPXOs، يمكن للمصممين تقليل عدد المكونات، وتقليل حجم الحل، وخفض تكاليف التجميع، وتعزيز الموثوقية.