Микросхемы Si5350/Si5351 [2] используют встроенный кварцевый генератор и VCXO, который использует стандартный кварц 25/27 МГц, PLL и специальные дробные делители частоты (MultiSynth fractional dividers), чтобы генерировать одновременно до 8 уникальных, не целочисленных значений частот. При этом достигается точность установки каждой частоты 0 ppm. Также на кристалле Si5350/51 реализованы интегральные конденсаторы нагрузки для внешнего кварца, которые можно подключать в диапазоне от 6 до 10 пФ. Значение емкости этих внутренних конденсаторов устанавливаются либо программированием на заводе в случае управляемой выводами Si5350), либо через интерфейс I2C, который имеется у Si5351.

Примечание: незнакомые термины и сокращения см. в разделе "Словарик", в конце статьи.

В этом апноуте (перевод AN551 [2]) дано руководство по выбору кварцевых резонаторов при использовании внутренних конденсаторов микросхемы, либо при комбинации этих внутренних конденсаторов с внешними дополнительными конденсаторами нагрузки кварца. Также подробно описывается работа кварцевого генератора и VCXO.

Рис. 1. Si5351A со стандартным кварцевым резонатором, без дополнительных нагрузочных элементов для резонатора.

[Выбор кварца, конденсаторов нагрузки]

Выбор кварца и его конденсаторов нагрузки. Микросхемы Si5350/51 поддерживают два варианта частот для кварцев 25 МГц и 27 МГц, и имеют на борту встроенные конденсаторы нагрузки кварца, что во многих случаях исключает необходимость применения внешних конденсаторов нагрузки для внешнего кварца. Альтернативно Si5350/51 может использоваться в комбинации с внутренними и внешними конденсаторами нагрузки.

Внутренние конденсаторы нагрузки. По той причине, что у Si5350/51 уже есть на борту конденсаторы нагрузки, рекомендуется выбирать кварцы с такими спецификациями нагрузочной емкости, которые будут совместимы с Si5350/51. Для упрощения выбора таких кварцев компания Silicon Labs рекомендует проверенные варианты кварцев для использования вместе с Si5350/51.

В таблице 1 перечислены модели кварцев, которые прошли квалификацию для использования вместе с Si5350/51. Однако микросхемы Si5350/51 могут также работать и с кварцами, которые не перечислены в этой таблице. В этом случае выбирайте кварцы с такими параметрами нагрузочной емкости, которые удовлетворяют спецификациям даташита Si5350/51 (см. [2]), со значением ESR меньше 150, в корпусе 5x7 мм² или меньшего размера. Металлические корпуса кварцев типа HC-49 вместе с Si5350/51 использовать не рекомендуется.

Таблица 1. Кварцевые резонаторы, квалифицированные для использования вместе с Si5350/51.

Внешние и внутренние конденсаторы нагрузки. Микросхема Si5350/51 может использовать внутренние и внешние конденсаторы одновременно, чтобы удовлетворить требованиям даташита используемого кварцевого резонатора. Когда используются одновременно внутренний и внешний конденсаторы, рекомендуется устанавливать внешние конденсаторы нагрузки емкостью меньше 2 пФ, чтобы обеспечить общую емкость нагрузки кварца (емкость добавляют также проводники на печатной плате) величиной не более 12 пФ. Это необходимо для минимизации дополнительного джиттера из-за увеличенных внешних конденсаторов.

[Рекомендации по разводке печатной платы]

Кварцевый генератор микросхем Si5350/51 это маломощный аналоговый узел, поэтому разводка цепей кварца должна придерживаться правил для малосигнальных аналоговых цепей, чувствительных к электромагнитным помехам. Ниже приведен список рекомендаций по разводке PCB, которых следует придерживаться.

1. Поскольку общая нагрузочная емкость складывается из емкости трасс печатных проводников и емкости выводов XA и XB микросхемы, рекомендуется размещать корпус кварца как можно ближе к корпусу микросхемы Si5350/51. Это позволит минимизировать вносимую паразитную емкость.
2. Длина проводников до кварца должна быть менее 9 мм.
3. Тактовые сигналы и другие сигналы с быстро переключающимися уровнями следует разводить как можно дальше от кварца и его проводников.
4. Печатные проводники до кварца должны быть защищены вокруг экранирующими проводниками, подключенными к общему проводу (GND, земля, минус питания).
5. Экранирующая земля вокруг проводников до кварца должна соединяться как можно более коротко с выводом GND микросхемы, и не должна пропускать через себя посторонние импульсные токи.
6. Когда используется двухслойная PCB, цифровые сигналы не должны быть разведены на противоположной стороне платы непосредственно под кварцем.
7. Рекомендуется обратную сторону печатной платы под кварцевым резонатором покрыть сплошным медным полигоном, по которому не проходят никакие проводники.

Рис. 2. Пример разводки для Si5350/51.

[Кварцевый генератор Si5350/51]

Кварцевый генератор построен по модели Пирса [3], как показано на рис. 3. В нем имеется схема автоматической регулировки усиления (Automatic Gain Control, AGC), которая работает в режимах большого и нормального усиления. В момент запуска AGC конфигурируется в режиме большого усиления, и усилитель генерирует большое отрицательное сопротивление (–R), чтобы гарантировать запуск кварцевой генерации. Как только достигнута работа на стабильной частоте, AGC конфигурируется в режим нормального усиления, и (–R) понижается для поддержки генерации.

Рис. 3. Схема генератора Si5350/51.

Когда кварцевый генератор находится в режиме большого усиления, усиление в петле обратной связи (gain loop, G_LP) больше 1, чтобы гарантировать запуск генерации. В режиме нормального усиления G_LP снижается до 1, чтобы поддерживать генерацию.

Таблица 2. Режимы кварцевого генератора.

Точность кварцевого генератора. Точность частоты на выходах Si5350/51 зависит от точности частоты кварца, и несоответствия внутренней и внешней емкости нагрузки кварца. Точность не зависит от Si5350/51 схемы PLL, поскольку она может синтезировать любую комбинацию выходных частот с высокой точностью (до 0 ppm).

Точность генерируемой выходной частоты может быть смоделирована с использованием простой эквивалентной электрической схемы. Индуктивности и емкости в этой схеме определяют резонансную частоту.

Рис. 4. Эквивалентная модель кварца.

Примечание: здесь R внутреннее сопротивление кварца, L_M и C₁ индуктивная и емкостная составляющие кварца, C₀ емкость корпуса кварца.

По этой модели частоту кварцевого генератора можно смоделировать по формуле 1. Она учитывает неточность из-за несоответствия емкости нагрузочных конденсаторов, и учитывает факторы емкости корпуса и полной емкости нагрузки.

                       C₁        1           1
f_OUTPUT = f_CRYSTAL (1 - ---- (---------- + -----------))                (Формула 1)
                       2    C₀ + C_SPEC     C₀ + C_CTL

В этой формуле:

f_OUTPUT частота кварцевого генератора
f_CRYSTAL частота кварцевого резонатора
C_SPEC спецификация требуемой нагрузочной емкости кварцевого резонатора
C_TL общая емкость нагрузки кварцевого резонатора
C₀ емкость корпуса кварцевого резонатора
С₁ емкостная составляющая кварца

Из формулы 1 следует, что когда общая емкость меньше, чем указано в спецификации требуемой нагрузочной емкости кварцевого резонатора, выходная частота получается больше. Дополнительно, когда общая емкость больше, чем указано в спецификации для нагрузочной емкости, выходная частота получается меньше. В таблице 3 показаны разные варианты зависимости точности от общей емкостной нагрузки C_TL.

Таблица 3. Зависимость точности кварца от емкости нагрузки.

Эту взаимосвязь иллюстрирует следующий пример. Рис. 5 показывает результаты измеренной частоты кварца, когда Si5350/51 тестировалась с кварцем 12 пФ. Нагрузка менялась, и определялась частота кварца. Когда общая емкость нагрузки была 12 пФ, частота генерировалась с точностью 0 ppm; когда общая емкость нагрузки была меньше 12 пФ, частота была выше 0 ppm, и когда общая емкость нагрузки кварца была больше 12 пФ, генерируемая частота была меньше 0 ppm. Кроме того, рекомендуется использовать кварцы с общей емкостью нагрузки меньше или равной 12 пФ.

Рис. 5. Зависимость частоты кварцевого генератора от емкости нагрузки кварца (C_L).

Реактивное сопротивление. Электрически кварц представляет собой последовательную резонансную схему, и реактивное сопротивление кварца зависит от его частоты. Сопротивление кварца равно 0 Ом на частоте последовательного резонанса (f_s) и на частоте параллельного резонанса (f_p). f_s зависит от C₁ и L_M, что показано в формуле 2.

(Формула 2)

Здесь f_s это частота последовательного резонанса, L_M индуктивная составляющая, C₁ емкостная составляющая.

f_p подобна f_s, однако f_p учитывает емкость корпуса C₀, и вычисляется по формуле 3.

	(Формула 3)

Здесь f_p и f_s это частоты параллельного и последовательного резонанса, L_M индуктивная составляющая, C₁ емкостная составляющая, C₀ емкость корпуса.

Как показано на рис. 6, отрицательное реактивное сопротивление дает индуктивная составляющая, а положительное реактивное сопротивление емкостная составляющая.

Рис. 6. Эффективное реактивное сопротивление кварца.

[Величина ESR]

При выборе кварца следует учитывать его важный параметр - эквивалентное последовательное сопротивление ESR. ESR зависит от R_M, C₀ и C_L, где C_L это требуемая емкость нагрузки кварца, вычисляемая по формуле 4. Обратите внимание, что Si5350/51 может использоваться с кварцами, у которых ESR больше 150 Ом.

(Формула 4)

Здесь R_M сопротивление корпуса, C₀ емкость корпуса, C_L указанная емкость нагрузки.

ESR характеризует потери энергии в кварцевом резонаторе. Существует тенденция - чем меньше размеры кварца (особенно это касается кварцев в маленьком корпусе SMD), тем больше у него может быть ESR. Чем больше ESR, тем больше потери, ниже добротность кварца. Если значение ESR слишком велико, то кварцевый генератор может не запуститься, либо может работать нестабильно, или даже остановить генерацию. Отрицательное сопротивление (–R) в цепи усиления кварцевого генератора Si5350/51 предназначено для компенсации потерь из-за ESR. (–R) микросхемы Si5350/51 можно определить по переменному резистору, включенному последовательно с кварцем, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Метод определения (-R).

Есть ли запас по (–R) в кварцевом генераторе для конкретного кварца, определяют следующим образом. Последовательное сопротивление (R_Q) медленно увеличивают до тех пор, пока генератор не сможет запускаться при включении питания, или больше не сможет поддерживать генерацию. R_Q можно реализовать с помощью маленького подстроечного резистора SMD. Тест (–R) выполняется процедурами проверки запуска и остановки, описанных ниже.

Тест 1: проверка запуска.

1. Подключите подстроечный SMD-резистор (R_Q) последовательно с кварцем.
2. Включите устройство и проверьте начало генерации. Повторяйте этот шаг, медленно увеличивая значение резистора, пока не увидите, что генератор Si5350/51 перестал запускаться.
3. Максимальное значение сопротивления резистора R_Q, при перестает наблюдаться запуск генератора Si5350/51, будет максимальному сопротивлению запуска R_Q.

Тест 2: проверка остановки генерации.

1. Когда генератор Si5350/51 работает, постепенно увеличивайте сопротивление резистора, пока генератор не остановит генерацию.
2. Когда генерация остановится, уменьшайте R_Q, пока генератор не зарузится.
3. Самое большое значение R_Q, на котором генератор запускается, это будет значением остановки.
4. Значение остановки должно быть эквивалентно значению запуска, R_Q.

Как только R_Q было определено, по формуле 5 можно определить коэффициент безопасности для запуска генератора (Safety Factor, SF). Этот коэффициент показывает, достаточно ли отрицательное сопротивление усилителя генератора (–R), чтобы генератор надежно запускался и поддерживал генерацию.

      R_Q + ESR
SF = ----------                (Формула 5)
        ESR

Здесь SF это коэффициент безопасности, R_Q вычисленное критическое сопротивление, ESR эквивалентное последовательное сопротивление кварца.

Для надежной генерации необходимо, чтобы SF получился больше 5. Кроме того, из-за наличия AGC в усилителе генератора Si5350/51, можно безопасно работать при SF >> 10. В таблице 4 суммарно приведены различные диапазоны значений SF.

Таблица 4. Значения коэффициента безопасности SF.

Отрицательное сопротивление. (–R) было определено для Si5350/51 с использованием различных кварцев, с разной емкостью корпуса (C₀). Данные ниже иллюстрируют зависимость (–R) от C₀.

C_L = 6 пФ

Таблица 5. Требования к C₀ и R1, кварц 27 МГц (SF=1).

Таблица 6. Требования к C₀ и R1, кварц 25 МГц (SF=1).

C_L = 8 пФ

Таблица 7. Требования к C₀ и R1, кварц 27 МГц (SF=1).

Таблица 8. Требования к C₀ и R1, кварц 25 МГц (SF=1).

C_L = 10 пФ

Таблица 9. Требования к C₀ и R1, кварц 27 МГц (SF=1).

Таблица 10. Требования к C₀ и R1, кварц 25 МГц (SF=1).

[VCXO]

Si5350/51 содержит продвинутый VCXO, потому что используется модуляция параметра PLL вместо того, чтобы изменять нагрузочные параметры кварца. Поскольку Si5350/51 VCXO не оказывает влияния на работу кварца, устраняется необходимость в дорогостоящем, управляемом кварце. Достоинства используемой технологии перечислены в таблице 11.

Таблица 11. Si5350/51 VCXO в сравнении с обычным VCXO.

Для конкурирующих VCXO следует учитывать следующие параметры кварцев:

1. Коэффициент C₀/C₁.
2. Максимальный уровень управления.
3. Третью механическую гармонику и расположение соответствующих гармонических колебаний.

Было определено, что если кварц не имеет адекватного соотношения C₀/C₁ (для конкурентных VCXO), могут получиться нежелательные результаты, как показано на рис. 8. Si5350/51 выделяются в лучшую сторону в сравнении с конкурирующими VCXO, потому что позволяют использовать стандартные, недорогие кварцы. Таким образом, не нужно предпринимать никакие дополнительные меры для получения необходимых генерируемых частот с большой точностью. Кроме того, Si5350/51 VCXO было разработан таким образом, что система управления частотой не зависит от температуры, напряжения питания или модели используемого кварца. Кроме того, кривая управления VCXO может быть сгенерирована напрямую из тактового сигнала Si535xC, поскольку Si5350/51 не управляет генерацией на кварце, в как это обычно делается в конкурирующих устройствах.

Рис. 8. Горб на кривой управления частотой у конкурирующих VCXO.

По той причине, что Si5350/51 VCXO для управления частотой использует изменение параметров PLL, результирующая функция передачи VCXO получается гораздо более линейной. На рис. 9 показана измеренная фактическая линейность в сравнении с конкурентами.

Рис. 9. Сравнение KVCO микросхемы Si5350/51 с конкурирующими решениями.

Вычисление эквивалентной емкости нагрузки кварца:

      C_L1 · C_L2
C_L = -----------                          (Формула 6)
      C_L1 + C_L2

[Словарик]

AGC Automatic Gain Control, автоматическое регулировка усиления, АРУ.

ESR Equivalent Series Resistance, эквивалентное последовательное сопротивление.

PLL Phase Locked Loop, блок с петлей обратной связи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

ppm Parts Per Million, количество частей на миллион.

VCXO Voltage-Controlled Crystal Oscillator, кварцевый генератор, управляемый напряжением. Как тут затесалась буковка X, ума не приложу. Может быть потому, что мнемоникой XTAL1, XTAL2 давно привыкли обозначать выводы чипов, предназначенные для подключения кварцевого резонатора?

[Ссылки]

1. AN551 CRYSTAL SELECTION GUIDE FOR Si5350/51 DEVICES site:silabs.com.
2. Si5351: программируемый генератор на любую частоту.
3. Колесников, Д. В. Схемотехника высокочастотного кварцевого генератора в элементной базе КМОП 0,18 мкм / Д. В. Колесников, П. А. Кондратович, Е. Н. Бормонтов // Известия вузов. Электроника. — 2014. — № 1. — С. 45–50.