Постоянный рост требований к электронике (она усложняется, миниатюризируется, у неё снижается энергопотребление) диктует необходимость использования маломощных, миниатюрных и надежных радиоэлектронных компонентов. Точная и стабильная тактовая частота требуется для большинства встраиваемых систем - от мобильных телефонов до бортовых систем автомобиля.
Для поддержания частоты на заданном значении имеется несколько различных методов, в них применяются разные компоненты, и каждый метод отличается по стабильности, размеру и стоимости. Ниже в сравнительной таблице приведены эти методы, которые определяют тип генератора тактовой частоты системы.
Тип
Символическое обозначение
Цена
Габариты
Подстройка
Допуск по частоте
Стабильность во времени
LC
Невысока
Большие
Требуется
±2%
Невысокая
RC
Маленькая
Очень маленькие
Требуется
±2%
Плохая
Кварцевый резонатор
Значительная
Средние
Не требуется
±0.001%
Отличная
Керамический резонатор
Невысока
Маленькие
Не требуется
±0.5%
Отличная
Самым популярным методом стабилизации частоты является применение кварцевого резонатора (часто называемый просто "кварц").
Кварцы обладают очень высокой добротностью, идеально подходящей для стабилизации частоты генератора, и они имеют также высокую стабильность по температуре и времени эксплуатации. Обычный допуск на частоту кварца ±10 ppm [2] при окружающей температуре 25°C. При изменении температуры от -30 до 85°C сохраняется точность частоты ±10 ppm. В качестве примеров подобных кварцев можно привести серии кварцевых резонаторов XRCFD/XRCMD компании Murata.
Размер корпуса может быть ключевым фактором при выборе типа кварца. Поскольку резонансная частота кварцевой платины зависит, кроме типа среза, также и от размера пластины, то в результате имеются ограничения на минимальный размер компонента кварцевого резонатора. Производители выпускают кварцы различных типов, чтобы удовлетворить всем специфичным требованиям от приложений на рынке. Например, различают варианты стабилизации частоты кварцев VCXO, TCXO, OCXO и другие, при которых рабочая температура кварца поддерживается на постоянном уровне, выше температуры окружающего воздуха.
В этом генераторе используется постоянное напряжение для управления частотой генератора относительно некоторого среднего значения. Может применяться для частотной модуляции сигнала, или для стабилизации частоты. Принцип работы основан на изменении емкости варикапа, который в незначительных пределах может повлиять на частоту.
В этом генераторе применена система температурной компенсации ухода генерируемой частоты. Частотозадающий элемент имеет управляемый подогрев, при этом требуется, чтобы температура подогреваемого элемента была выше, чем температура окружающей среды. Компенсация может разделяться на аналоговую и цифровую, в результате из-за обратной связи по температуре получается требуемая компенсационная характеристика.
Это самый простой, самый распространенный тип кварцевого генератора - кварцевая пластина с определенными геометрическими размерами, снабженная электродами и помещенная в (обычно металлический) корпус.
Фильтрующий по частоте элемент, построенный на основе кварца.
Другим методом стабилизации частоты является использования механического резонанса керамики. Керамические резонаторы также имеют высокую стабильность частоты, обычно ±0.1% от номинала. Керамические резонаторы обычно в 2 раза меньше по размеру, чем кварцевые на ту же частоту. Например, компонент Murata CSTCE для монтажа на поверхность (SMD) имеет размеры 3.2 x 1.3 x 0.9 мм, типичную стабильность частоты ±0.1% и температурную стабильность ±0.08% в диапазоне от 0 до 70°C.
Керамические резонаторы имеют разные характеристики режимов генерации в зависимости от рабочей частоты. Низкочастотные резонаторы – в диапазоне от 100 кГц до 1000 кГц – обычно используют режим расширения, в то время как частоты выше нескольких МГц для генерации используют режим сдвигового колебания толщины. Конструкция керамических резонаторов очень удобна для массового производства, поэтому керамические резонаторы стоят намного дешевле кварцевых.
Когда инженер выбирает тип организации тактового генератора, ему нужно учесть несколько технических критериев. Понятно, что главный критерий - рабочая частота. Тип микросхемы, которая генерирует тактовую частоту, и в некоторых случаях особенности приложения будут однозначно определять выбор резонатора. Инженерам следует избегать нестандартных техник, поскольку это может значительно повлиять на время выполнения заказа и обычно на стоимость.
Во многих случаях функции приложения (назначение разрабатываемого электронного прибора), где применяется тактируемое устройство, будут диктовать степень точности тактовой частоты. Например, набор стандартов передачи данных по сети IEEE802.1 требует высокой точности. Также для некоторых специальных разработок, наподобие роутеров Wi-Fi, беспроводных трансиверов и/или микроконтроллеров производители могут предусмотреть много определенных вариантов выбора резонатора на основе ранее сертифицированных проектов.
Другой критический фактор, влияющий на выбор резонатора - ограничения на доступную площадь печатной платы. На стабильность частоты и точность значительно влияют размер и форма резонатора. На это также влияет и на стоимость устройства. Таким образом, нужно выбрать качественный баланс между рабочими спецификациями и стоимостью списка материалов (BOM, Bill Of Materials).
Другие соображения для выбора резонатора могут включать класс устройства и энергопотребление. Класс устройства обычно касается диапазона рабочих температур резонатора. В основном резонаторы могут быть доступны в двух типах: один для общих потребительских приложений, другой для автомобильной электроники. Понятно, что рыночные стандарты и профили варианта использования определят вероятные рабочие температуры и окружение конечной разработки. Компоненты, предназначенные для использования в автомобильной технике имеют расширенный диапазон рабочих температур, и также подходят для жестких условий эксплуатации с точки зрения влажности воздуха, попадания влаги, вибрации. Обычный диапазон рабочих температур для автомобильной техники от –40 до 125°C.
Соображения снижения энергопотребления становятся все более важными, особенно для носимых приложений, устройств, встраиваемых в одежду, как например персональные мониторы состояния организма для фитнесса. Выбор устройства для стабилизации частоты может повлиять на энергопотребление. Частота тактируемого устройства обычно прямо пропорционально энергопотреблению. Обычно говорят, что снижение тактовой частоты также позволяет снизить энергопотребление.
Как только поставщики и даташиты были просмотрены для получения сведений по основным эксплуатационным характеристикам, инженер может сфокусироваться на разработке схемы генератора. Обычно узел генератора состоит из усилителя, чаще всего построенного на инверторах CMOS. В схему усилителя входят резистор обратной связи, демпфирующий резистор и два внешних нагрузочных конденсатора.
Ниже на рисунке показан пример такой схемы. Резистор обратной связи подключен к инвертеру CMOS параллельно. Часто как весь усилитель, включая инвертер и дополнительные резисторы, интегрированы в схему микроконтроллера, наружу из корпуса выведены только выводы для подключения кварцевого резонатора и внешних нагрузочных резисторов. Резистор обратной связи вводит инвертор CMOS в активный режим усиления - выходное напряжение пытается балансировать возле среднего значения, и возникают условия для возникновения генерации. При наличии частотозадающего элемента в виде керамического или кварцевого резонатора генерация возникает на определенной частоте. Когда резистор обратной связи не встроен в микроконтроллер (это бывает редко), то обычно используется внешний резистор номиналом около 1 МОм.
Демпфирующий резистор подключен к выходной цепи узла генератора. Он нужен, чтобы ослабить амплитуду колебаний для снижения нагрузки и уменьшения энергопотребления. При выборе этого резистора нужен компромисс, потому что слишком большая величина резистора может привести к слишком большому затуханию, так что генерация может прекратиться. Демпфирующий резистор обычно выбирают в диапазоне от 0 до 2 кОм, однако его выбор также зависит от электрических характеристик тактируемого микроконтроллера.
Внешние нагрузочные конденсаторы подключены на входе и выходе узла генератора, и их емкость должна быть тщательно подобрана. Эти конденсаторы составляют важную часть схемы, которая влияет на отрицательное сопротивление и частоту генерации. Эти конденсаторы бывают в диапазоне от 5 до 22 пФ, но их рекомендуемая величина зависит от характеристик микроконтроллера, свойств кварцевого резонатора и паразитной емкости монтажа.
Когда проектируется разводка печатной платы для узла генератора, особенное внимание должно быть уделено снижению емкости монтажа и снижению электромагнитных помех. Длина сигнальных проводников должна быть как можно меньше, особенно той цепи, которая подключена ко входу усилителя генератора - чтобы минимизировать паразитные емкость и индуктивность. Нежелательно использовать сквозные отверстия для монтажа деталей генератора, потому что это увеличивает размеры узла, и увеличивает уровень электромагнитных помех. Кроме того, сигнальные проводники генератора не нужно располагать на внутренних слоях многослойной платы, так как это увеличивает паразитную емкость, и затрудняет диагностику генератора. Слишком большая паразитная емкость может остановить колебания генератора. Если сигнальные проводники будут проходить близко ко входу какого-нибудь инвертера CMOS, то это может также генерировать помехи, потому что через паразитную емкость может проходить высокочастотный сигнал.
