Oscylatory kwarcowe i ich zastosowania

Wprowadzenie:

Oscylatory kwarcowe są układami elektronicznymi opartymi na oscylującym krysztale kwarcu w celu generowania wysoce stabilnej częstotliwości. W zależności od wymagań i warunków środowiskowych można osiągnąć stabilność częstotliwości w zakresie od 10E-5 do 10E-12 na dzień. Standardowe moduły oscylatorów są dostępne do codziennych zastosowań, podczas gdy oscylatory o wysokiej precyzji są zwykle projektowane i produkowane indywidualnie dla specjalnych wymagań.

Typy oscylatorów:

Zgodnie z międzynarodowymi standardami, oscylatory krystaliczne dzielą się na następujące kategorie:

1. SPXO - oscylatory kryształowe w prostej obudowie (ang. Simple Package Crystal Oscillators)
2. VCXO - oscylator kryształowy sterowany napięciem
3. TCXO - oscylator kryształowy z kompensacją temperatury
4. OCXO - oscylatory kryształowe stabilizowane temperaturowo (oscylatory kryształowe sterowane piekarnikiem)
5. LPXO - oscylatory kryształowe małej mocy o stabilności temperaturowej od ±0,5ppm powyżej -40/+85°C i starzeniu ±1x10E-6.

Zachowanie pod wpływem temperatury

Zmiany temperatury wpływają na częstotliwość kryształu, nawet w przypadku stabilnych temperaturowo kryształów AT-cut. Dodatkowe elementy przełączające lub układy scalone mogą pogorszyć to zachowanie. Podział częstotliwości jest możliwą metodą poprawy dokładności przy niskich częstotliwościach.

Wpływ napięcia roboczego i obciążenia

Częstotliwość jest wrażliwa na zmiany napięcia, szczególnie ze względu na zmianę pojemności tranzystorów wzmacniacza. Impedancja obciążenia na wyjściu również wpływa na częstotliwość. Wzmacniacze buforowe pomagają zminimalizować te efekty.

Zachowanie długoterminowe

Starzenie się częstotliwości jest zwykle największe w ciągu pierwszych kilku miesięcy pracy. Tak zwane "wygrzewanie" w podwyższonych temperaturach może zmniejszyć to starzenie. Wysoce stabilne oscylatory pozostają w trybie gotowości, aby uniknąć dryftu częstotliwości podczas włączania.

VCXO (oscylatory kwarcowe sterowane napięciem) umożliwiają sterowanie częstotliwością za pomocą zewnętrznego napięcia DC. Są one zwykle używane tylko do synchronizacji urządzenia/aplikacji z przychodzącym sygnałem referencyjnym (koncepcja master-slave) lub do modulacji częstotliwości. Dioda pojemnościowa (warystor) zastępuje kondensator trymujący.

Typowe parametry:

• Zakres podciągania częstotliwości (zakres podciągania = na przykład ±50ppm min.)
• Czułość podciągania (zdolność podciągania = na przykład ±10ppm/pF)
• Nieliniowość modulacji (np. maks. 10%)

Dzięki TCXO zmiana częstotliwości jest kompensowana przez temperaturę. W zależności od procesu, kontrola może być analogowa (z sieciami termistorów) lub cyfrowa (z czujnikiem, ADC, pamięcią i DAC).

TCXO przeżywają prawdziwy renesans w technologii komunikacyjnej i nawigacyjnej, a dzięki stosowanym układom scalonym mogą być produkowane bardzo tanio. TCXO są najczęściej stosowanymi oscylatorami kwarcowymi o wysokiej precyzji i charakteryzują się bardzo dobrym szumem fazowym i doskonałymi wartościami jittera. Sprawia to, że oscylatory TCXO są pierwszym wyborem i są preferowane w stosunku do oscylatorów MEMS, gdy są używane w obwodach z późniejszym zwielokrotnieniem częstotliwości.

Typowe obszary zastosowań to aplikacje GPS i GLONASS, smartfony, urządzenia radiowe, IoT, IIoT, aplikacje inteligentnych liczników, routery, urządzenia pomiarowe itp.

Osiągalna stabilność częstotliwości:

• Typowo <0,5 - 2,5 ppm w zakresie -40 - +85 °C

OCXO działają z podgrzewanym termostatem, który utrzymuje kwarc i ewentualnie obwód w stałej temperaturze. W przypadku OCXO temperatura termostatu może wynosić +85°C. Zasadniczo temperatura ogrzewania jest zbliżona do punktu odwrócenia krzywej TC kwarcu. Aby zminimalizować dryft częstotliwości rezonatora kwarcowego, kryształ kwarcu jest używany w overtonie w OCXO. Zwykle w 3. lub 5. podtonie. W szczególności w piątym podtonie pojemność dynamiczna C1 (pojemność bocznikowa) jest bardzo niska, co ułatwia kompensację częstotliwości kryształu.

Istnieją termostaty jednostopniowe i dwustopniowe (podwójne). Te drugie oferują maksymalną stabilność temperatury przy niskich odchyleniach częstotliwości. Ponadto, w zależności od wymaganej dokładności, stosowane są rezonatory kwarcowe z cięciem AT lub SC. Kryształy o szlifie SC oferują znacznie wyższą dokładność częstotliwości i znacznie wyższą stabilność temperatury niż kryształy o szlifie AT.

Typowe dokładności:

• < 1 x 10E-7 (OCXO single)
• < 1 x 10E-9 (OCXO podwójne)

Ze względu na zużycie energii i rozmiar, użycie OCXO jest zwykle zarezerwowane dla zastosowań o wysokiej precyzji, takich jak stacje bazowe telefonii komórkowej, wzorce odniesienia GPS, technologia pomiarowa lub telekomunikacja.

Podsumowanie ważnych parametrów oscylatora

• Częstotliwość nominalna i tolerancja
• Zmiana częstotliwości ze względu na: Temperaturę, napięcie, obciążenie, czas (starzenie)
• Zachowanie podczas docierania, stabilność krótkoterminowa
• Zasilanie: napięcie, prąd, tętnienia
• Sygnał wyjściowy: poziom, kształt, szum
• Czynniki środowiskowe: zakres temperatur, wstrząsy, wibracje

LPXO są "środkiem" pomiędzy SPXO i TCXO. LPXO są zawsze używane, gdy wymagany jest niski pobór mocy lub tolerancja częstotliwości SPXO jest zbyt niska, ale tolerancja TCXO jest zbyt precyzyjna. Oznacza to, że LPXO jest zawsze tańsze niż TCXO.