eng
Выпуск #6/2016
В.Кочемасов, Е.Хасьянова
Кварцевые автогенераторы: разновидности, характеристики и области применения
Кварцевые автогенераторы: разновидности, характеристики и области применения
Просмотры: 3435
Рассмотрены различные типы современных автогенераторов на основе кварцевых резонаторов. Приведена информация об их основных параметрах. Отмечено, что правильный выбор автогенератора с нужными параметрами в сочетании с оптимальным схемотехническим решением позволит создать конечные устройства, отвечающие требованиям, предъявляемым к конкретной разработке.
Теги: crystal resonator jitter nominal frequency oscillator автогенератор джиттер кварцевый резонатор номинальная частота
В зависимости от области применения кварцевые автогенераторы производятся как без дополнительной стабилизации частоты (XO), так и с коррекцией параметров: автогенераторы с термокомпенсацией (TCXO), термостатированием (OCXO) или двойным термостатированием (DOCXO), вакуумированные термостатированные автогенераторы (EMXO)[1](рис.1). В системах с фазовой автоподстройкой частоты применяются управляемые напряжением кварцевые автогенераторы (VCXO). При необходимости получения более высокого показателя частотно-температурной стабильности VCXO могут помещаться в термостат (VCOCXO) или включать в себя термокомпенсацию (TCVCXO/VCTCXO). Отметим особенности кварцевых автогенераторов различного типа. XO (Crystal oscillator) - кварцевый автогенератор. Такие генераторы представляют собой трехточечную схему с усилительным элементом, в которой кварцевый резонатор применяется как эквивалентная индуктивность. Их частотно-температурная стабильность находится в диапазоне 15-100 ppm. В зависимости от типа среза кварцевого резонатора и точности процесса его производства различаются автогенераторы общего назначения и прецизионные. VCXO (Voltage Controlled Crystal Oscillator) - управляемые напряжением кварцевые автогенераторы - с перестраиваемой выходной частотой. Для них характерны большие значения показателя фазового шума по сравнению со стандартными кварцевыми автогенераторами. Частотно-температурная стабильность составляет 15-100 ppm. TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) - термокомпенсированные кварцевые автогенераторы. В простейшем случае для компенсации температурного сдвига частоты в таких устройствах применяются термисторы. Возможны также аналого-цифровая (ADTCXO), цифровая или микропроцессорная (DTCXO или MCXO) виды термокомпенсации. Значение частотно-температурной стабильности равно 0,1-5 ppm в температурном диапазоне -40…85 °C. OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator) - термостатированные кварцевые автогенераторы и DOCXO (Double Oven Controlled Crystal Oscillator) - кварцевые автогенераторы с двойным термостатированием. Отличаются наилучшей частотно-температурной стабильностью по сравнению с другими типами кварцевых автогенераторов, а также весьма низким значением фазовых шумов. Например, компания Pascall Electronics выпускает OCXO с показателем фазового шума L = -178 дБн/Гц при отстройке 10 кГц от частоты генерации. Аналогичный показатель у продукции компании NEL составляет -185 дБн/Гц. Плата за улучшение стабильности частоты - увеличение цены, энергопотребления и массогабаритных показателей. EMXO (Evacuated Miniature Oven Controlled Crystal Oscillator) - вакуумированные термостатированные кварцевые автогенераторы. От предыдущего типа устройств отличаются меньшими размерами и энергопотреблением. По показателю частотно-температурной стабильности находятся между OCXO и TCXO. Их отличительная особенность - устойчивость к радиации и другим внешним воздействиям. Основные характеристики автогенераторов - диапазон возможных значений номинальных частот (fном.), стабильность номинальной частоты (Δf/f, ppm или ppb) при изменении внешних параметров, уровень фазовых шумов и джиттера, тип выходного сигнала и значение напряжения питания. Номинальная частота (fном). Значение и стабильность этого параметра обязательно указываются в спецификации автогенератора. С целью повышения диапазона fном. применяют режим возбуждения колебаний на третьей или пятой гармониках. Показатели стабильности в общем случае состоят из трех основных компонентов: начальная точность установки частоты, частотно-температурная и долговременная стабильность частоты. Эти показатели определяются параметрами кварцевых резонаторов [1]. Начальная точность установки частоты (fкалибр.) определяется как диапазон возможных отклонений частот от заявленной в спецификации частоты при температуре 25 °C на момент продажи автогенератора. Частотно-температурная стабильность (f(T°C)) - максимально возможный уровень отклонения частоты автогенератора в рабочем температурном диапазоне. Измеряется в миллионных (ppm) или миллиардных (ppb) долях. Эта характеристика является среднесрочным показателем стабильности частоты, интервал ее измерения колеблется в пределах от нескольких минут до нескольких часов. Долговременная стабильность (старение) показывает изменение частоты генерации кристалла с течением времени при условии, что остальные параметры остаются неизменными. При измерении этого параметра не учитываются условия внешней среды. Интенсивность старения замедляется с течением времени. Фазовыми шумами называют стохастические флуктуации, обусловленные фликкер-шумом, тепловыми и дробовыми шумами. Основным определением фазового шума является значение спектральной плотности мощности фазовых флуктуаций в заданной полосе частот Sϕ (fm) (измеряется в Рад 2/Гц). В спецификациях автогенераторов фазовый шум определяется как отношение спектральной плотности мощности шума при заданной отстройке от центральной частоты к полной мощности колебания L (fm) = 1/2 Sϕ (fm). Такая аппроксимация справедлива, если общая пиковая девиация фазы много меньше 1 рад [2]. Размерность фазового шума в этом случае - дБн/Гц. Значения данного показателя для кварцевых АГ Vectron International лежат в диапазоне -167... -123 дБн/Гц при отстройке от частоты генерации в 10 кГц (рис.2) [3]. Фазовые шумы автогенераторов, выпускаемых компаниями "Мэджик Кристалл" и Crystek, равны соответственно -170…145 дБн/Гц [4] и -164… -120 дБн/Гц [5]. Наименьшими значениями L (fm) отличаются термостатированные кварцевые автогенераторы компаний Pascall Electronics и NEL (см. выше). Джиттер характеризует шумовые показатели во временной области. Согласно определению Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), джиттером называются кратковременные изменения значащих моментов цифрового сигнала во временной области по сравнению с идеальным значением (рис.3) [6]. Джиттер может выражаться в единичных интервалах, в градусах, в абсолютных временных единицах (последнее чаще всего указывается в спецификации). Как правило, для измерения джиттера задается опорный фронт синхроимпульса, с которым сравниваются фронты остальных импульсов и на основании этих данных вычисляются среднеквадратическое и пиковое значения джиттера. Кроме того, среднеквадратическое значение джиттера (σrms) может быть выражено из значения фазовых шумов (Sϕ (fm) или L (fm)). Для этого используются формулы пересчета [7]: , рад 2 , с, где σ2 - дисперсия фазовых шумов, fm1 и fm2 - значения частотного сдвига от частоты генерации (fном), в пределах которых вычисляется значение джиттера (рис.4). В спецификации, как правило, указывается среднеквадратическое значение уровня флуктуации фронта за период. Для современных генераторов значение этого показателя находится в пределах 0,5-20 пс в частотном диапазоне от 12 кГц до 20 МГц. У автогенератора VC-708 компании Vectron джиттер в этом диапазоне еще меньше - 47-100 фс. Поскольку автогенераторы часто применяют в качестве опорного источника в тактовых генераторах, при их выборе стоит обращать внимание не только на значение джиттера, но и на показатели времени нарастания (tнар) / спада (tсп) фронтов импульса и симметричности (рис.5). Симметричность (или коэффициент заполнения) определяется как отношение длительности импульсов (τ) к периоду их следования (T), выраженное в процентах. Большинство компаний-производителей предлагают генераторы с показателем симметричности от 40 до 49%. Выходные сигналы автогенераторов могут быть синусоидальными, синусоидальными с ограничением или трапецеидальными (CMOS, PECL, LVPECL, LVDS, HCSL и др.). В последнем случае уровни выходного сигнала зависят от вида используемой логики (рис.6) [8]. Кварцевые автогенераторы выпускаются для различных радиоэлектронных систем: автомобильная электроника, авиационная и космическая техника, измерительная и тестовая аппаратура и др. Их корпусирование выполняется различными способами (рис.7). Для военной и аэрокосмической промышленности, авионики и ряда других отраслей нужны автогенераторы, работающие при быстроменяющихся условиях и перегрузках. Поэтому при производстве техники с жесткими требованиями к качеству автогенератор выбирают с учетом значений ударопрочности и виброустойчивости (G-sensitivity). В устройствах общего назначения эти параметры не так важны, поскольку они используются в более щадящих условиях. Ударопрочность - способность резонатора, а следовательно и автогенератора, выдерживать механические воздействия определенной силы. Такие воздействия могут приводить не только к ухудшению частотной стабильности, но и к механическим повреждениям резонатора. Для повышения ударопрочности применяется специальное корпусирование резонаторов с тремя или четырьмя точками опоры [1], что позволяет выдерживать удары в 1 000-20 000 g, в то время как двухточечное крепление в керамическом корпусе для поверхностного монтажа выдерживает удары 50-200 g. Виброустойчивость определяется как изменение частоты генерации в зависимости от уровня приложеной к автогенератору вибрации (измеряется в ppb/g). Поскольку кварцевый резонатор работает на основе обратного пьезоэлектрического эффекта, то дополнительное давление на резонатор изменяет его рабочую частоту и увеличивает значения фазовых шумов (рис.8а) [9]. Для определения виброустойчивости автогенератор помещается в тестовую установку и подвергается воздействию вибрации заданной частоты. Измерения ведутся поочередно по трем осям. Результаты представляются в виде графиков зависимости виброустойчивости от приложенной частоты вибрации (рис.8б) [9]. Для каждого из применений автогенераторов существует свой набор наиболее важных из вышеперечисленных параметров. Правильный выбор автогенератора с нужными параметрами в сочетании с оптимальным схемотехническим решением позволит создать конечные устройства, отвечающие требованиям, предъявляемым к конкретной разработке.
Кочемасов В.Н., Хасьянова Е.Р. Кварцевые резонаторы - особенности и области применения // ЭЛЕКТРОНИКА НТБ. 2015. № 10. С. 106-112.</reference>
<reference>Бельчиков С. Фазовый шум: как спуститься ниже -120 дБн/Гц на отстройке 10 кГц в диапазоне частот до 14 ГГц, или Борьба за децибелы // Компоненты и Технологии. 2009. № 5. С. 139-145.</reference>
<reference>www.vectron.com/products/xo/PX-990.pdf</reference>
<reference>4. magicxtal.com/products/</reference>
<reference>www.crystek.com/home/crystek/default.aspx</reference>
<reference>www.vectron.com/products/literature_library/ jitter_in_clock_sources.pdf</reference>
<reference>Creda R.M. Understanding Quartz Crystals and oscillators. - Artech House. - 2014, 299 pp.</reference>
<reference>www.vectron.com/products/literature_library/ Signal_Types_and_Terminations.pdf</reference>
<reference>www.vectron.com/products/xo/px-508.pdf</reference>
Кочемасов В.Н., Хасьянова Е.Р. Кварцевые резонаторы - особенности и области применения // ЭЛЕКТРОНИКА НТБ. 2015. № 10. С. 106-112.</reference>
<reference>Бельчиков С. Фазовый шум: как спуститься ниже -120 дБн/Гц на отстройке 10 кГц в диапазоне частот до 14 ГГц, или Борьба за децибелы // Компоненты и Технологии. 2009. № 5. С. 139-145.</reference>
<reference>www.vectron.com/products/xo/PX-990.pdf</reference>
<reference>4. magicxtal.com/products/</reference>
<reference>www.crystek.com/home/crystek/default.aspx</reference>
<reference>www.vectron.com/products/literature_library/ jitter_in_clock_sources.pdf</reference>
<reference>Creda R.M. Understanding Quartz Crystals and oscillators. - Artech House. - 2014, 299 pp.</reference>
<reference>www.vectron.com/products/literature_library/ Signal_Types_and_Terminations.pdf</reference>
<reference>www.vectron.com/products/xo/px-508.pdf</reference>
Отзывы читателей
