ocxo генераторы что такое

Термостатированные кварцевые опорные генераторы

Работа кварцевого кристалла при определенной температуре позволяет практически исключить уход частоты генератора от температуры. Именно поэтому были разработаны термостабилизированные кварцевые генераторы OCXO. Стабилизировать температуру генератора легче всего при повышенной температуре. Тогда охлаждение будет происходить просто за счет передачи тепла окружающей среде.

Рисунок 1. Термоизоляция корпуса OCXO

Для стабилизации температуры используются схемы поддержания постоянной температуры. В них используется обратная связь с применением термодатчика и нагревателя. Один из вариантов подобной схемы приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема стабилизации температуры

Конкретная температура, которую следует стабилизировать, определяется углом среза кварцевого кристалла. Для AT-среза это 70°C.

Однако специально для термостабилизированных кварцевых генераторов в 1976 году был разработан особый срез кварцевого кристалла, обладающий улучшенными характеристиками. Он получил название SC-срез (stress compensated — срез с компенсацией напряжений в кристалле). Этот срез получается двойным поворотом относительно кристаллографических осей, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Расположение пластинки SC-среза относительно кристаллографических осей кварцевого кристалла

Сравнение температурных характеристик этих срезов кристалла приведено на рисунке 4.

Рисунок 4. Температурные зависимости ухода частоты кварцевых резонаторов AT и

На данном рисунке отчетливо видно, что AT срез однозначно превосходит в широком диапазоне температур, однако в узком интервале температур в районе 92°C уход частоты у CS среза будет меньше, а именно это и требуется для теромостабилизированных кварцевых генераторово TCXO. Более точные графики в диапазоне температур от 60 до 100°C приведены на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. температурные зависимости ухода частоты кварцевых резонаторов

Рисунок 6. температурные зависимости ухода частоты кварцевых резонаторов

Как видно из рисунков 5 и 6, применение среза кварцевой пластинки с двойным поворотом относительно кристаллографических осей позволяет уменьшить зависимость от температуры на два порядка. Таким образом данный тип генераторов (OCXO) позволяет достигнуть стабильности частоты 10 –13 (например, опорные генераторы HSO 14 фирмы RAKON).

Для этих опорных генераторов требуются уже корпуса больших размеров. Это обусловлено необходимостью термоизоляции от окружающей среды. Именно поэтому термостабилизированные генераторы часто называют термостатированными генераторами от слова термостат (термос). Даже образцы, предназначенные для монтажа на печатные платы обладают размерами 36×27×18,8 мм. Внешний вид подобного отечественного опорного генератора ГК193-ТС приведен на рисунке 7.

Рисунок 7. Внешний вид термостабилизированного кварцевого генератора OCXO

Дата последнего обновления файла 26.03.2018

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Термостатированные кварцевые опорные генераторы» читают:

Источник

Опорные кварцевые генераторы с температурной компенсацией ухода частоты TCXO

Изменение частоты кварцевого генератора с кристаллом AT-среза и компенсирующее напряжение, подаваемое на варикап VCXO, в зависимости от температуры окружаещей среды, приведено на рисунке 1. На этом же рисунке приведено изменение частоты термокомпенсированного кварцевого генератора TCXO.

Рисунок 1. График изменения частоты кварцевого генератора и компенсирующего напряжения

Неточная компенсация частоты объясняется ошибками формирования компенсирующего напряжения. Кроме того, уход частоты при росте температуры и понижении температуры несколько различаются. Кривая обладает гистерезисом. График изменения частоты кварцевого генератора показан на рисунке 2.

Рисунок 2. График изменения частоты кварцевого генератора

Простейшие версии TCXO выполняются с применением терморезисторов. Одна из возможных схем кварцевого термокомпенсированного генератора приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с температурной компенсацией ухода частоты TCXO

В этой схеме на резисторе R1 и стабилитроне VD1 собран стабилизатор напряжения. Терморезисторы R2 и R5 вместе с обычными резисторами R3 и R4 формируют зависимость напряжения от температуры, приведенную на рисунке 1. Это напряжение подается на варикап VD2 и подстраивает частоту кварцевого генератора под заданное значение. Сам генератор собран по схеме Клаппа на транзисторе VT1. Внутреннее устройство одной из микросхем термокомпенсированного кварцевого генератора приведено на фотографии, показанной на рисунке 4.

Рисунок 4. Внутреннее устройство одного из видов кварцевого термокомпенсированного генератора

На рисунке 5 приведен примерный вид температурной зависимости генератора TCXO.

Рисунок 5. Типовая температурная зависимость ухода частоты при температурной компенсации

Подобные опорные генераторы немного дороже простых кварцевых генераторов, но при этом они размещаются в точно таких же корпусах микросхем, как и обычные кварцевые генераторы XO. Применение TCXO в качестве опорных генераторов позволяет значительно улучшить характеристики аппаратуры связи. А то, что опорный генератор используется только один, вместо нескольких обычных, может даже удешевить гаджет. TCXO широко применяютя в сотовых телефонах и в аппаратуре программно реализованных раций (software radio). Внешний вид корпусов кварцевых генераторов TCXO приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Внешний вид опорных кварцевых генераторов с температурной компенсацией

Термокомпенсированные опорные кварцевые генераторы производятся рядом отечественных и иностранных фирм. В качестве примера можно назвать такие микросхемы как ОАО «Морион», ГК321-ТК-01-С открытого акционерного общества «Пьезо» или фирмы Racon.

В настоящее время термокомпенсированные кварцевые генераторы все больше размещаются в корпусах поверхностного монтажа. Пример внешнего вида подобного TCXO показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Внешний вид генератора TCXO в SMD корпусе

Внутреннее устройство подобного вида термокомпенсированных кварцевых генераторов может выглядеть так, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. SMD термокомпенсированный генератор со снятой верхней крышкой

А его чертеж и чертеж посадочного места на печатной плате приведен на рисунке 9.

Рисунок 9. Чертеж TCXO в SMD корпусе

Приобрести для эксперимента или для разрабатываемого вами устройства наиболее распространенный вид опорного генератора TCXO на частоту 26 МГц можно здесь

Дата последнего обновления файла 24.03.2018

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Опорные кварцевые генераторы с температурной компенсацией ухода частоты TCXO» читают:

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Источник

Стабильные генераторы (OCXO, TCXO) купить в Москве или доставка почтой

Стабильные генераторы TCXO и OCXO имеют ряд отличий. Приобретая данную продукцию следует заранее узнать данные различия, сферы их использования и определить, какой из генераторов подходит в Вашем случае.

Особенности и сферы применения.

Нестабильная температура – это один из ключевых факторов, который влияет на перепады частоты. Решить данную проблему помогает термокомпенсация.

TXCO – это термокомпенсированный генератор, который стабилизируется кварцем. В данной конструкции уменьшение отклонения частоты происходит благодаря предустановленной системе. Главными преимуществами TXCO являются:

OCXO – это термостатированный генератор, для стабилизации которого используется кварц. В рамках этой конструкции термостабилизируется резонатор, благодаря чему поддерживается постоянная температура. Как результат – гарантируется и стабильная частота.

Благодаря указанным свойствам, стабильные генераторы используются в разных сферах. Преимущественно в тех случаях, когда устройствам приходится сталкиваться с неблагоприятными условиями эксплуатации. Первый тип генераторов поддерживает приток тепла, второй – приток холода и тепла.

Если Вам потребуется купить стабильные генераторы, обратите внимание на обширный ассортимент магазина Electronic Component. В нашем каталоге Вы сможете выбрать подходящую модель устройства среди сотен позиций, что существенно упрощает поиски. При необходимости Вы всегда можете обратиться к нашим специалистам для получения дополнительной информации о генераторах или за помощью в подборе продукции. Просто позвоните нам по телефону: 8-916-677-69-08 или отправьте сообщение на нашу электронную почту: urasavin@yandex.ru.

Ваш заказ формируется в кратчайшие сроки. Перед отправкой мы обязательно проверяем все товары на соответствие заказу и исключаем брак. Вы можете самостоятельно забрать его из нашего магазина, если проживаете в Москве. Для других городов России доступна услуга доставки. Вы можете заказать нашу продукцию из любого уголка страны.

Источник

Ocxo генераторы что такое

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»).

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.

В этом генераторе поддерживается стабильная температура частотозадающего элемента, чем достигается стабильность генерируемой частоты.

В этом генераторе применена система стабилизации частоты, построенная по цифровому принципу регулирования.

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.

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.

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.

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.

Источник

Камертон для электроники: тактирующие компоненты производства NDK

Японская компания NDK – один из лидеров в области производства тактирующих компонентов – кварцевых резонаторов, тактовых генераторов, SPXO, TCXO, VCXO и ПАВ-фильтров. А сервисы, предоставляемые компанией, помогают решить проблемы, возникающие при выборе компонентов для построения цепей тактирования на базе кварцевых резонаторов.

Японская компания Nihon Dempa Kogyo (NDK) была создана в 1948 году, а в 1949 начала производство и продажу кварцевых резонаторов. К настоящему времени номенклатура изделий включает самые разнообразные тактирующие компоненты, датчики и приборы:

Компания NDK является надежным и уважаемым поставщиком тактирующих компонентов. Об этом, в частности, говорит тот факт, что самые крупные производители процессоров и контроллеров рекомендуют использовать резонаторы и генераторы NDK для тактирования своих микросхем. В этом легко убедиться, если самостоятельно ознакомиться с руководствами по тактированию от STMicroelectronics [1], Texas Instruments [2], NXP [3], Silicon Labs [4] и других компаний. В каждом из этих документов продукция NDK присутствует в перечне рекомендованных компонентов.

Такое доверие производителей микроконтроллеров связано с тем, что NDK занимается не только выпуском резонаторов и генераторов, но и тщательно отслеживает совместимость своей продукции с популярными микросхемами. Кроме того, NDK выполняет тесты на совместимость по требованию заказчика и советует, как лучше организовать схему тактирования в каждом конкретном случае.

Характеристики кварцевых резонаторов

Неопытные разработчики при выборе кварцевого резонатора очень часто учитывают только два основных параметра: номинальную частоту и габариты. Однако во многих случаях этого недостаточно. Рассмотрим другие не менее важные характеристики кварцевых резонаторов.

Кварцевый резонатор обладает высокой стабильностью, однако, значение его частоты может меняться под действием температуры, старения, давления, радиации, механических воздействий и прочего. Как правило, основной вклад в отклонение частоты от номинального значения вносит начальная погрешность и температурная зависимость. Оба параметра обычно указывают в документации на резонатор.

Температурная зависимость частоты для кварцев кГц- и МГц-диапазонов указывается отдельными параметрами. Для часовых кварцев (32,768 кГц) вводится понятие температурного коэффициента.

где k – температурный коэффициент;

Δt – разница между текущей температурой окружающей среды и нормальным уровнем в 25°C.

Для кварцевых резонаторов МГц-диапазона вводится понятие температурной нестабильности.

Для достижения стабильного, точного тактового сигнала следует применять резонаторы с меньшим температурным коэффициентом или меньшей температурной нестабильностью. Если этого будет недостаточно, то необходимо перейти на термокомпенсированные генераторы TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) или термостатированные генераторы OCXO (Oven-Controlled Crystal Oscillator).

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый резонатор является электромеханическим компонентом. Для описания его электрических характеристик используют эквивалентную схему (рисунок 1). Элементы L1, C1, R1 называют, соответственно, динамическими или эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением. Емкость С₀ называют параллельной емкостью.

На частотной характеристике резонатора есть две характерных точки: частота последовательного резонанса Fs и частота антирезонанса Fa (рисунок 2).

Рис. 2. Частотные характеристики кварцевого резонатора

Частота последовательного резонанса определяется формулой 2:

Частота антирезонанса характеризуется значением формулы 3:

Частотный диапазон между Fs и Fa называют областью параллельного резонанса. В ней резонатор ведет себя как индуктивная нагрузка и добавляет 180° к фазовому сдвигу [1].

Внутри области параллельного резонанса частота может быть определена следующим образом (формула 4):

Где C_L – внешняя нагрузочная емкость.

Нагрузочная емкость C_L – один из важнейших параметров резонатора. Как видно из формулы 4, изменяя C_L, можно подстраивать частоту резонатора. Рекомендуемое значение C_L обязательно указывают в документации на резонатор.

Еще одной важной характеристикой резонатора является эквивалентное последовательное сопротивление ESR.

Эквивалентное последовательное сопротивление ESR (Equivalent series resistance) характеризует сопротивление резонатора с учетом нагрузочной емкости C_L, и может быть определено следующим образом (формула 5):

Как правило, значение ESR приводится в документации на резонатор (для заданной емкости C_L).

Последовательное сопротивление, в свою очередь, определяет допустимый уровень возбуждения.

Уровень возбуждения DL (drive level) – мощность, рассеиваемая кристаллом кварца. Она определяется по формуле 6:

где I_QRMS – среднеквадратичный ток, протекающий через кристалл кварца.

В документации на резонатор обычно приводятся два значения уровня возбуждения: номинальное и максимально допустимое.

Максимальный уровень возбуждения определяет максимальную мощность, которую допустимо рассеивать на кристалле. Превышение этой мощности обязательно сказывается на характеристиках резонатора и даже может привести к его разрушению. Чтобы этого не происходило, в цепь тактирования вводят последовательное ограничительное сопротивление. Более подробно об этом будет сказано в следующем разделе.

Как видно из вышесказанного, большинство электрических характеристик связано с нагрузочной емкостью. В реальной жизни значение нагрузочной емкости определяется конкретной схемой. То же самое можно сказать и об отрицательном сопротивлении. Чтобы лучше разобраться в этих параметрах, рассмотрим конкретный пример схемы тактирования для микроконтроллеров производства компании STMicroelectronics.

Генератор Пирса, нагрузочная емкость и отрицательное сопротивление

Рис. 3. Реализация генератора Пирса для микроконтроллеров STM8 и STM32 от STMicroelectronics

Для тактирования микроконтроллеров чаще всего используется схема генератора Пирса, которая состоит из инвертора, кварцевого резонатора, двух конденсаторов (C_L1 и C_L2), резистора (R_F), включенного параллельно инвертору, и последовательного сопротивления Rext. Рассмотрим особенности этой схемы на примере микроконтроллеров STM8 и STM32 производства STMicroelectronics (рисунок 3).

Параллельный резистор R_F, нужен, чтобы обеспечить работу инвертора в линейном режиме и не допускать насыщения. В микроконтроллерах STM8 и STM32 инвертор и резистор R_F интегрированы в микроконтроллер, и пользователю остается добавить кварцевый резонатор, нагрузочные емкости и последовательный резистор Rext.

Резистор Rext используется для ограничения нагрузочного тока I_Q через резонатор, чтобы не допустить превышения максимального уровня возбуждения DL. Однако прежде, чем выбрать номинал этого сопротивления, следует разобраться с емкостью нагрузки C_L.

Как видно из схемы, изображенной на рисунке 3, нагрузочная емкость C_L зависит от C_L1 и C_L2, а также от паразитной емкости C_S, которая характеризует емкость проводников на печатной плате и емкость выводов микроконтроллера. STMicroelectronics рекомендует использовать для расчетов ориентировочное значение C_S = 10 пФ. С учетом схемы включения полная емкостная нагрузка может быть определена следующим образом (формула 7) [1]:

В итоге, зная рекомендованное значение емкостной нагрузки (из документации на резонатор), можно определить нагрузочные емкости C_L1 и C_L2. Например, если производитель кварцевого резонатора указал значение C_L = 15 пФ, а C_S = 10 пФ то выражение имеет следующее значение:

Зная реальную нагрузочную емкость, можно рассчитать допустимый ток. Однако при работе с осциллографом удобнее использовать не ток, а напряжение (формула 8):

где \(C_=C_+\frac><2>+C_\) – общая емкость системы с учетом емкости щупа осциллографа Cprobe.

Переходя к пиковым значениям (формула 9):

Используя, формулы 6 и 9, получаем формулу 10 для расчета допустимого пикового напряжения на резонаторе:

Далее для задания пикового напряжения необходимо использовать переменный резистор Rext. Меняя его сопротивление, нужно добиться появления на осциллографе колебаний с амплитудой, не превышающей значения, рассчитанного по формуле (10). Для первого ориентировочного номинала Rext можно воспользоваться значением формулы 11 [1]:

Например, для генератора 8 МГц и C_L2 = 15 пФ, R_ext = 1326 Ом. Однако это значение следует проверить опытным путем.

Если сопротивление R_ext слишком мало, то резонатор может выйти из строя из-за превышения допустимого значения DL. Если сопротивление R_ext слишком велико, генерация тактового сигнала не начнется вовсе. Чтобы оценить возможность генерации тактового сигнала, вводят понятие отрицательного сопротивления. Отрицательное сопротивление (Negative resistance) позволяет судить о пригодности той или иной схемы тактирования для получения устойчивого сигнала.

Словом, построение системы тактирования – непростая задача, даже малейшие отклонения номиналов могут негативно сказаться на характеристиках тактового сигнала. Все это усугубляется влиянием паразитных параметров платы и самой тактируемой микросхемы. В результате резонатор может работать нестабильно или даже возбуждаться на более высоких гармониках. Чтобы избежать проблемы, необходимо следовать рекомендациям от производителей микроконтроллеров, а также использовать качественную продукцию от надежных поставщиков кварцевых резонаторов.

Компания NDK тщательно следит за совместимостью своих резонаторов с наиболее распространенными контроллерами и даже выполняет тестирование совместимости по требованию заказчика. Информация, предоставляемая NDK, поможет избежать проблем с тактированием.

Тестирование кварцевых резонаторов и измерение отрицательного сопротивления

Для измерения отрицательного сопротивления NDK использует стандартную схему (рисунок 4). В ней последовательно с кварцевым резонатором включен переменный резистор. Как было сказано выше, параллельный резистор R_F может быть интегрирован в тестируемую микросхему.

Рис. 4. Схема измерения отрицательного сопротивления [5]

В начале тестирования значение переменного резистора выставляют на 0 Ом и добиваются устойчивого тактового сигнала. Далее начинают плавно увеличивать сопротивление до тех пор, пока система не сможет нормально стартовать. Полученное таким образом сопротивление добавочного резистора и есть величина отрицательного сопротивления.

Если в результате проверки оказалось, что отрицательное сопротивление слишком мало, то колебания могут не возникнуть, и нужно изменить номиналы элементов в цепях тактирования.

На сайте компании NDK можно найти результаты тестирования различных контроллеров от ведущих производителей: NXP, Texas Instruments, ST Microelectronics, Renesas, Ambiq Micro, Cypress, Toshiba. Например, для микроконтроллера STM32F217IG был проведен тест на совместимость с резонатором 27 МГц NX3225GA. Рекомендованные значения нагрузочных емкостей C_L1 = C_L2 = 7 пФ, значение R_ext = 390 Ом. Уровень возбуждения составил 10 мкВт, а отрицательное сопротивление 1510 Ом, притом что минимально допустимое значение для данного резонатора составляет 900 Ом.

Таким образом, компания NDK может помочь потребителям с построением системы тактирования и с решением возникающих проблем.

Кварцевые резонаторы от NDK

Компания выпускает кварцевые резонаторы трех основных групп:

Таблица 1. Часовые кварцевые резонаторы

Таблица 2. Кварцевые резонаторы со встроенным датчиком температуры

Семейство кварцевых резонаторов мегагерцевого диапазона является самым многочисленным и объединяет 26 серий с разными характеристиками (таблица 3):

Серия NX1210AB отличается рекордно компактными габаритами – всего 1,2×1 мм, при этом погрешность частоты для резонаторов оказывается весьма низкой – ± 10 ppm.

Таблица 3. Кварцевые резонаторы мегагерцевого диапазона

Кварцевым резонаторам производства NDK присущи отличное качество, малые габариты и достаточно высокая точность. Впрочем, для некоторых приложений требуется еще более высокая точность и температурная стабильность. Кроме того, как было показано выше, использование обычных резонаторов связано с некоторым риском нестабильности при неграмотной организации схемы тактового генератора. Самым простым решением перечисленных проблем будет использование готовых кварцевых генераторов от NDK.

Тактовые генераторы общего назначения от NDK

Тактовые генераторы общего назначения представляют собой простые генераторы с CMOS- и ТТЛ-выходами без дополнительных цепей компенсации температурной погрешности. По этой причине точность и погрешность таких генераторов оказываются на уровне традиционных кварцевых резонаторов.

Данную группу генераторов можно считать «рабочими лошадками» современной электроники, так как они используются в большинстве приложений, в которых нет повышенных требований к точности и диапазону рабочих температур: в контроллерах, компьютерной технике, измерительных приборах и так далее.

NDK выпускает несколько различных групп тактовых генераторов общего назначения.

Таблица 4. Стандартные генераторы общего назначения

Часовые генераторы 32,768 кГц – группа миниатюрных генераторов с частотой 32,768 кГц, точностью до ±30 ppm и стандартным диапазоном напряжений питания 1,8…3,3 В (таблица 5).

Таблица 5. Стандартные часовые генераторы 32,768 кГц

Малопотребляющие часовые генераторы 32,768 кГц. Генераторы из этой группы имеют уровень потребления в десять раз меньший, чем у стандартных часовых генераторов (таблица 6). Например, часовой генератор NZ2016SH потребляет 260 мкА в активном режиме и 20 мкА в режиме ожидания, а малопотребляющий генератор NZ2016SHB потребляет в активном состоянии всего 20 мкА и 5 мкА в режиме ожидания.

Таблица 6. Малопотребляющие часовые генераторы 32,768 кГц

Генераторы с двумя тактовыми выходами формируют сразу два тактовых сигнала: низкочастотный 32,768 кГц и высокочастотный сигнал мегагерцевого диапазона 16…32 МГц (таблица 7).

Таблица 7. Генераторы с двумя тактовыми выходами

Таблица 8. Генераторы для автомобильных приложений

Прецизионные тактовые генераторы. Линейка генераторов NZ2520SEA отличается минимальной начальной погрешностью частоты не хуже ±15 ppm (таблица 9).

Таблица 9. Прецизионные тактовые генераторы

Таблица 10. Генераторы с пониженным уровнем фазового шума

Таблица 11. Генераторы с ультранизким уровнем фазового шума

Генераторы с ультранизким напряжением питания. Если в стандартных генераторах диапазон напряжений питания составляет 1,8…3,3 В, то у генераторов данной группы минимальный уровень напряжения составляет всего 0,9 В (таблица 12).

Таблица 12. Генераторы с ультранизким напряжением питания

Малопотребляющие высокочастотные генераторы. Потребление тока у генераторов этой группы оказывается на порядок меньшим, чем у стандартных моделей (таблица 13). Например, потребление стандартного генератора NZ2016SH в активном режиме составляет 2,5…9 мА, в то время как малопотребляющие генераторы NZ2016SJ имеют ток потребления всего 0,92…1,78 мА.

Таблица 13. Малопотребляющие высокочастотные генераторы

Генераторы общего назначения 5х3,2 мм с фиксированным напряжением питания имеют фиксированные напряжения питания 1,8/2,5/3,3/5 В, широкий диапазон частот 2,5…70 МГц и стандартное корпусное исполнение 5х3,2 мм (таблица 14).

Таблица 14. Генераторы общего назначения 5х3,2 мм с фиксированным напряжением питания

Тактовые генераторы общего назначения имеют CMOS- или ТТЛ-выходы. Если требуются высокочастотные тактовые сигналы LVDS/HCSL/LVPECL, то следует воспользоваться генераторами SPXO.

Кварцевые генераторы SPXO от NDK

Кварцевые генераторы SPXO (Simple Packaged Crystal Oscillator) представляют собой генераторы без дополнительных цепей компенсации температурной погрешности. Точность и погрешности SPXO идентичны характеристикам традиционных кварцевых резонаторов. Их главной отличительной чертой являются выходные тактовые сигналы LVDS/HCSL/LVPECL.

Стандартные генераторы SPXO. Данная группа объединяет генераторы SPXO с выходными сигналами LVDS/HCSL/LVPECL, напряжениями питания 2,5/3,3 В и диапазоном частот 62,2…220 МГц (таблица 15).

Таблица 15. Стандартные генераторыSPXO

Программируемые генераторы SPXO. Главной отличительной чертой данных генераторов (таблица 16) является возможность программирования выходной частоты с помощью I²C.

Таблица 16. Программируемые генераторы SPXO

Стандартные тактовые генераторы и генераторы SPXO имеют точность на уровне обычных кварцевых резонаторов. Однако существуют приложения, в которых требуется минимальная погрешность частоты и повышенная температурная стабильность, например, для GPS-приемопередатчиков. Для таких приложений следует использовать более стабильные термокомпенсированные генераторы TCXO.

Термокомпенсированные генераторы TCXO от NDK

TCXO (Temperature-Compensated Crystal Oscillator) имеют в своем составе цепи компенсации температурной погрешности.

По типу компенсации TCXO можно разделить на две группы: аналоговые и LSI (Large Scale Integration). Аналоговые TCXO используют дополнительные RC-цепочки и встроенные термисторы для отслеживания температуры и коррекции частоты. В LSI используется цифровой блок с модулем памяти.

Существует множество приложений, где требуется повышенная стабильность:

Компания NDK также выпускает генераторы VC-TCXO (Voltage-Controlled TCXO). Это TCXO-генераторы, частота которых изменяется с помощью управляющего напряжения.

Таблица 17. TCXO с расширенным температурным диапазоном

TCXO с парой выходных каналов при одинаковой частоте сигнала. Серия NT2016SC имеет пару выходов с идентичной частотой сигнала. Погрешность частоты для этих генераторов составляет ±2 ppm (таблица 18).

Таблица 18. TCXO с парой выходных каналов одинаковой частоты

Низковольтные генераторы TCXO с функцией включения EN. Генераторы NT2016SB имеют минимальный уровень напряжения питания 1,2 В, в то время как для большинства остальных моделей минимальное напряжение составляет 1,8 В (таблица 19). Также эти генераторы имеют вход разрешения EN.

Таблица 19. Низковольтные генераторы TCXO с функцией включения EN

Таблица 20. TCXO с выходом датчика температуры и функцией включения EN

TCXO с CMOS-выходом и функцией включения EN. Генераторы NT2520SC способны работать с напряжением питания 1,8 или 3,3 В и имеют вход разрешения работы EN (таблица 21).

Таблица 21. TCXO с CMOS-выходом и функцией включения EN

VC-TCXO с функцией автоподстройки частоты (AFC) имеют дополнительный вход для подстройки частоты с помощью внешнего напряжения (таблица 22).

Таблица 22. VC-TCXO с функцией автоподстройки частоты (AFC)

TCXO для прецизионных GPS-приложений. Данные генераторы используются в приложениях, в которых требуется получить максимально стабильный тактовый сигнал. Для этой группы генераторов температурная погрешность составляет 0,5 ppm (таблица 23).

Таблица 23. TCXO для прецизионных GPS-приложений

TCXO с функцией включения EN – группа стандартных TCXO с функцией разрешения работы EN (таблица 24).

Таблица 24. TCXO с функцией включения EN

Стандартные TCXO – группа TCXO с температурной погрешностью±2,5 ppm (таблица 25).

Таблица 25. Стандартные TCXO

Сверхстабильные TCXO для базовых станций используются в приложениях с самыми жесткими требованиями к стабильности частоты. Например, генераторы NT5032BA имеют температурную погрешность всего ±0,07 ppm (таблица 26).

Таблица 26. Сверхстабильные TCXO

Генераторы, управляемые напряжением VCXO

В структуре генераторов, управляемых напряжением VCXO (Voltage-Controlled Crystal Oscillator), последовательно с кварцевым резонатором помещены диоды, собственная емкость которых зависит от напряжения. Таким образом, прикладывая внешнее управляющее напряжение, можно изменять емкость диодов и подстраивать выходную частоту генератора. Диапазон подстройки для VCXO оказывается достаточно узким.

Стоит отметить, что VCXO не имеют температурной компенсации, поэтому их стабильность оказывается на уровне SPXO.

Генераторы VCXO чаще всего используются для построения ФАПЧ, схем модуляции и демодуляции.

Многочастотные VCXO-генераторы могут иметь сразу несколько центральных частот, вблизи которых можно вести подстройку (таблица 27). Выбор центральной частоты производится с помощью входов управления или по I²C. Генераторы производства NDK имеют различные типы выходных сигналов: PECL, LVDS, CML, HCSL, CMOS.

Таблица 27. МногочастотныеVCXO-генераторы

Таблица 28. VCXO-генераторы с низким уровнем фазовых шумов

VCXO для стационарной связи предназначены в первую очередь для проводной телефонной связи (таблица 29).

Таблица 29. VCXO для стационарной связи

Малопотребляющие VCXO для стационарной связи предназначены для проводной телефонной связи (таблица 30).

Таблица 30. Малопотребляющие VCXO для стационарной связи

VCXO для оптической связи SONET, SDH, Ethernet. Генераторы NV13M08YN предназначены специально для оптической связи и имеют выходной сигнал LVPECL (таблица 31).

Таблица 31. VCXO для оптической связи SONET, SDH, Ethernet

ПАВ-фильтры от NDK

ПАВ-фильтры (SAW) используют эффект поверхностных акустических волн (ПАВ), и являются обязательным элементом практически для всех радиопередающих систем. Функционал ПАВ-фильтра соответствует функционалу КИХ-фильтра.

В качестве полосового фильтра ПАВ применяют в самых различных приложениях, таких как: мобильные и базовые станции для GSM, CDMA, W-CDMA и прочих; приемопередатчики GPS и GLONASS; спутниковые системы связи; кабельное и спутниковое телевидение и так далее.

Основными характеристиками полосовых ПАВ-фильтров являются:

ПАВ-фильтры для беспроводного цифрового телевидения имеют центральную частоту 37,15 или 56,857 МГц, при этом ширина полосы составляет ±2,79 МГц (таблица 32).

Таблица 32. ПАВ-фильтры для беспроводного цифрового телевидения

ПАВ-фильтры для базовых станций GSM и WCDMA закрывают диапазон частот 707…2655 МГц, а ширина пропускания начинается с 10 МГц (таблица 33).

Таблица 33. ПАВ-фильтры для базовых станций GSM и WCDMA

ПАВ-фильтры для базовых станций WiMAX и IF работают в диапазоне 70…260,1 МГц, а ширина пропускания может быть менее 1 МГц (таблица 34).

Таблица 34. ПАВ-фильтры для базовых станций WiMAX и IF

ПАВ-фильтры для мобильных радиопередатчиков. Данная группа фильтров отличается весьма малым уровнем потерь, – от 2,4 дБ, – и узкой полосой пропускания – от 3 МГц (таблица 35).

Таблица 35. ПАВ-фильтры для мобильных радиопередатчиков

ПАВ-фильтры для маломощных IF-радиопередатчиков предназначены для работы в составе приемопередатчиков, работающих в нелицензируемых диапазонах частот (таблица 36).

Таблица 36. ПАВ-фильтры для маломощных радиопередатчиков

Таблица 37. ПАВ-фильтры для автомобильных приложений

Антенные переключатели ПАВ необходимы как для одновременного совместного использования антенны приемником и передатчиком, так и для электрической изоляции приемного и передающего тракта. В частотной характеристике таких устройств есть две зоны пропускания (таблица 38).

Таблица 38. Антенные переключатели ПАВ

Изготовление кварцевых кристаллов

NDK является одним из крупнейших производителей кварцевых резонаторов и генераторов, при этом выращивание кварцевых кристаллов остается основной специализацией компании с момента ее основания. Более того, NDK поставляет свои кристаллы другим производителям резонаторов и генераторов, которые занимаются только лишь распиловкой и монтажом кристаллов в корпус.

Компания NDK изготавливает синтетические кварцевые кристаллы в автоклаве вертикального типа (высокотемпературная печь высокого давления) с использованием метода гидротермического синтеза. Автоклав разделяется перегородкой на два отсека – верхний и нижний. Затравки для выращивания кристаллов помещают в верхний отсек (зону роста), а материалы для наращивания – в нижнюю (зону растворения).

При подготовке к производству разбавленный щелочной раствор выливают в нижнюю часть автоклава, где уже помещены материалы для наращивания, после чего начинают разогрев. Когда температура верхнего отсека автоклава достигает 300…320°С, а нижнего – 380…400°С, щелочной раствор расширяется, а давление поднимается до 130…145 МПа.

Из-за высокой температуры и давления материалы в нижней части автоклава растворяются в щелочи, становясь насыщенным раствором SiO₂. Из-за разности температур начинается конвекция, и насыщенный раствор поднимается вверх. Когда раствор достигает верхнего отсека автоклава, он становится перенасыщенным из-за более низкой температуры в зоне роста и SiO₂ кристаллизуется на затравочном кристалле. Затем раствор возвращается в нижний отсек автоклава и вновь насыщается. Далее цикл повторяется. Циклический процесс приводит к последовательному росту синтетических кристаллов кварца.

Когда кристалл выращен, происходит его распиловка по определенным направлениям, после чего срезы упаковываются в корпус.

Заключение

Компания NDK является одним из самых крупных и авторитетных производителей тактирующих компонентов. Сейчас NDK выпускает широкую номенклатуру кварцевых резонаторов, тактовых генераторов, SPXO, TCXO, VCXO, FCXO, ПАВ-фильтров, оптических компонентов и прочего.

NDK не только производит тактирующие компоненты, но и проводит тесты на совместимость с микросхемами различных производителей, например, NXP, Texas Instruments, STMicroelectronics, Renesas, ambiqmicro, Cypress, Toshiba.

Источник