Kľúčovou súčasťou každého oscilátora je rezonátor, ktorý riadi frekvenciu a určuje, aké parametre stability možno dosiahnuť. Aj keď je možné realizovať jednoduchý oscilátor s LC alebo RC rezonátorom, ktorý môže postačovať pre niektoré aplikácie, pridanie kremenného kryštálu výrazne zlepší frekvenčnú stabilitu zariadenia o niekoľko rádov, často s minimálnymi nákladmi. Tento článok poskytuje základné pochopenie dôležitých faktorov, ktoré treba zvážiť pri voľbe kryštaľového rezonátora vzhľadom na jeho aplikáciu. Je možné ďalej rozšíriť túto tému podrobnejším pohľadom na jednotlivé typy kryštaľových rezonátorov a ich špecifické vlastnosti v závislosti od aplikácií.

Frekvencia

Najzákladnejšou vlastnosťou každého oscilátora je frekvencia, ktorú bude produkovať. Podľa definície je oscilátor zariadenie, ktoré prijíma vstupné napätie (zvyčajne jednosmerné napätie) a produkuje opakovaný striedavý výstup s určitou frekvenciou. Potrebná frekvencia je daná typom systému a spôsobom jeho použitia.

Niektoré aplikácie si vyžadujú nízkofrekvenčné kryštály v rozsahu kHz. Bežným príkladom je hodinkový kryštál s frekvenciou 32,768 kHz. Väčšina súčasných aplikácií však potrebuje kryštály s vyššou frekvenciou od menej ako 10 MHz do viac ako 100 MHz.

Frekvenčná stabilita a teplotný rozsah

Teplotná stabilita je ďalší dôležitý faktor, najmä pri aplikáciách, ktoré vyžadujú presné meranie času alebo frekvencie. Krystalové rezonátory majú tendenciu meniť svoju frekvenciu v závislosti od teploty okolia. Pri voľbe rezonátora je preto potrebné zvážiť jeho teplotné charakteristiky a zvoliť taký typ, ktorý má dostatočne malú teplotnú závislosť pre danú aplikáciu. Požadovaná stabilita frekvencie sa určuje na základe požiadaviek systému. Stabilita oscilátora je jednoducho daná ako zmena frekvencie spôsobená určitým javom vydelená strednou frekvenciou.

To znamená: Stabilita = zmena frekvencie ÷ stredová frekvencia

Napríklad, ak je výstupná frekvencia oscilátora 10 MHz a v priebehu teploty sa zmenila o 10 Hz, jeho teplotná stabilita bude: 10/10 000 000 = 1×10^-6 = 1ppm. Typická stabilita kryštálového oscilátora sa môže pohybovať od 100ppm do 0,001ppm. Frekvenčná stabilita sa zvyčajne určuje podľa požiadaviek aplikácie a následne určí typ potrebného kryštálového oscilátora. Teplotný rozsah, v ktorom musí oscilátor pracovať, je hlavným faktorom pri určovaní stability, ktorú možno dosiahnuť.

Typy kryštálových oscilátorov

Jednoduchý kryštálový oscilátor (XO): Ide o najzákladnejší typ, ktorého stabilita je úplne daná vlastnosťami samotného kryštálového rezonátora. Kryštály s vyššou frekvenciou v rozsahu MHz sa vyrábajú z kremennej tyče tak, aby poskytovali relatívne stabilnú frekvenciu, aj keď teplota okolia sa môže meniť až od -55 °C do +125 °C. Stabilita ±25 ppm je dosiahnuteľná so správne vybrúseným kremenným kryštálom aj v takomto širokom rozsahu teplôt. To je podstatné zlepšenie v porovnaní s inými pasívnymi rezonátormi, ako je napríklad LC obvod nádrže, ktorý sa môže meniť o 1 % alebo viac (10 000 ppm). Ale ani 25ppm nie je pre niektoré aplikácie dosť dobré, takže sa musia použiť ďalšie opatrenia.

Kryštálový oscilátor s teplotnou kompenzáciou (TCXO): Ak vlastná frekvenčná a teplotná stabilita kremenného kryštálu nie je pre danú aplikáciu dostatočná, môže sa použiť jednotka s teplotnou kompenzáciou. TCXO využíva zariadenie na snímanie teploty spolu s obvodmi, ktoré generujú krivku napätia, ktorá je presne inverzná ku kryštálu v teplotnom rozsahu a v ideálnom prípade ruší drift kryštálu. Typické špecifikácie stability pre TCXO sa pohybujú od menej ako ±0,5 ppm do ±5 ppm v závislosti od typu TCXO a teplotného rozsahu.

Kryštálový oscilátor tepelme riadený (OCXO): Pre niektoré aplikácie je stabilita frekvencie v závislosti od teploty TCXO stále nedostatočná. V týchto prípadoch sa môže použiť OCXO. Ako už názov napovedá, oscilátor s pecou zahrieva kryštál na zvýšenú teplotu, ktorá je riadená tak, aby teplota kryštálu zostala stabilná, aj keď teplota okolia môže značne kolísať. Keďže teplota kryštálu a citlivých častí oscilátora sa mení len veľmi málo, podstatne sa zlepšuje stabilita frekvencie v závislosti od teploty okolia. Stabilita OCXO môže byť v rozsahu okolitej teploty až 0,001 ppm. Táto zlepšená stabilita je však spojená s cenou zvýšenej spotreby energie na dodávku tepla do pece. Typický OCXO môže vyžadovať 1 až 5 W energie na udržanie vnútornej teploty. Po zapnutí je potrebná aj doba zahrievania, aby sa počkalo, kým sa teplota a frekvencia stabilizujú, zvyčajne od 1 minúty do viac ako 10 minút v závislosti od typu jednotky.

Napäťovo riadený kryštálový oscilátor (VCXO): V niektorých aplikáciách je žiaduce, aby bolo možné naladiť alebo nastaviť frekvenciu oscilátora s cieľom fázovo ho uzamknúť k referencii vo fázovo uzamknutej slučke alebo prípadne modulovať priebeh. VCXO poskytuje túto možnosť prostredníctvom napäťového vstupu elektronického riadenia frekvencie (EFC). Špecifikácia rozsahu ladenia VCXO sa môže pohybovať od ±10ppm do ±100ppm alebo dokonca vyššie v prípade niektorých špecializovaných zariadení.

TCVCXO a VCOCXO: TCXO alebo OCXO často obsahuje vstupné napätie EFC. To umožňuje nastavenie s cieľom kalibrovať výstupnú frekvenciu presne na nominálnu hodnotu.

Vstupné napätie a výkon

Kryštálové oscilátory akéhokoľvek typu sa zvyčajne dajú navrhnúť tak, aby pracovali so vstupným jednosmerným napätím, ktoré je už v systéme k dispozícii. V digitálnom systéme je zvyčajne žiaduce použiť napätie, ktoré zodpovedá napätiu používanému logickými zariadeniami v systéme, ktoré bude oscilátor riadiť, aby boli logické úrovne priamo kompatibilné. +3,3 V alebo +5 V sú bežné vstupy pre tieto digitálne jednotky. Iné zariadenia s vyšším výkonom môžu používať vyššie napätia, napríklad +12 V alebo +15 V. Ďalším hľadiskom je množstvo prúdu, ktoré je potrebné na napájanie zariadenia. XO alebo TCXO môžu potrebovať len niekoľko miliampérov, takže v systéme s nízkym napätím by mohli pracovať s menej ako 0,01 W. Na druhej strane niektoré OCXO môžu pri zapnutí odoberať 5 W alebo 6 W.

Výstupný priebeh

Výstupný priebeh sa potom vyberie tak, aby zodpovedal záťaži, ktorú bude oscilátor v systéme riadiť. Jeden z najbežnejších výstupov by bol CMOS na riadenie vstupov s logickou úrovňou. Výstup CMOS by bol štvorcová vlna kmitajúca medzi zemou a koľajnicou Vdd pre systém. Pri vyšších frekvenciách vyšších ako približne 100 MHz sa často používa diferenciálna štvorcová vlna. Tieto oscilátory majú dva výstupy 180° mimo fázy s rýchlymi časmi nábehu a poklesu a veľmi malým chvením. Najobľúbenejšie typy sú LVPECL a LVDS. Ak sa oscilátor používa na riadenie VF komponentov, ako je napríklad zmiešavač alebo iné zariadenia so vstupom 50 Ω, zvyčajne sa špecifikuje sínusový výstup pri určitej výkonovej úrovni. Produkovaný výstupný výkon sa zvyčajne pohybuje medzi 0 dBm a +13 dBm (1 mW až 20 mW), hoci v prípade potreby je možné dosiahnuť vyšší výkon.

Veľkosť púzdra

Puzdro potrebné pre kryštálový oscilátor sa značne líši v závislosti od typu oscilátora a špecifikácií. Jednoduché hodinové oscilátory a niektoré TCXO môžu byť umiestnené v obaloch s rozmermi 1,2 x 2,5 mm, zatiaľ čo niektoré OCXO môžu mať rozmery 50 x 50 mm alebo dokonca väčšie pre niektoré konkrétne konštrukcie. Hoci sa niektoré priechodné obaly, ako napríklad dvojriadkové 4 alebo 14-kolíkové typy, stále používajú pre väčšie súčiastky, ako napríklad OCXO alebo špecializované TCXO, väčšina súčasných konštrukcií používa obaly pre povrchovú montáž. Tieto konfigurácie pre povrchovú montáž môžu byť buď hermeticky uzavreté keramické puzdrá, alebo zostavy na báze FR-4 s liatinami pre I/O.

Záver

Ako bolo ukázané, pri špecifikácii kryštálového oscilátora je potrebné zvážiť mnoho rôznych možností. Po preskúmaní systému, v ktorom sa bude jednotka používať, však budú zrejmé najvhodnejšie voľby, ako napríklad vstupné napätia, ktoré sú k dispozícii na napájanie jednotky, a typ zariadenia, ktoré bude výstup oscilátora riadiť. Do úvahy sa musia brať aj ďalšie obmedzenia aplikácie, ako je fyzická veľkosť a prevádzkové prostredie. Okrem týchto základných parametrov existuje množstvo ďalších špecifikácií, ktoré sa môžu uplatniť pri konkrétnych aplikáciách. Keď sa však všetko zváži, je pravdepodobné, že sa nájde kryštálový oscilátor, ktorý bude spĺňať požiadavky vášho systému.