Woran denken Sie als Erstes, wenn Sie elektronische Komponenten auswählen? Wahrscheinlich liegt es am Prozessor oder an etwas anderem, das für das System von zentraler Bedeutung ist. Die Timing-Komponente ist möglicherweise das Letzte, woran Sie denken, auch wenn die Uhr den Herzschlag liefert, von dem alle Signale im System abhängig sind.
8 zu berücksichtigende Oszillatoreinstellungen
Die Auswahl dieser wesentlichen Timing-Komponenten scheint ein unkomplizierter Prozess zu sein, es sind jedoch eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, die sich auf die Systemleistung auswirken. Was sind also die wichtigsten Spezifikationen und Überlegungen? Hier ist eine kurze Liste der wichtigsten Oszillatorparameter und warum sie wichtig sind. Natürlich sind noch weitere Details zu berücksichtigen, deshalb haben wir ein ausführliches Glossar erstellt, das ein breiteres Spektrum an Oszillatoreigenschaften abdeckt.
Frequenz
Der grundlegendste Parameter für jeden Oszillator ist die Frequenz. Es handelt sich um die Wiederholungsrate (Zyklus) des vom Oszillator ausgegebenen Signals und wird in Hertz (Hz) pro Sekunde gemessen. SiTime-Oszillatoren sind mit Frequenzen von nur 1 Hz für Geräte mit geringem Stromverbrauch und bis zu 725 MHz erhältlich. Die Frequenz der SiTime-Oszillatoren ist innerhalb dieses Bereichs mit einer Genauigkeit von 6 Dezimalstellen programmierbar. Durch die Verwendung benutzerdefinierter Frequenzen kann die Systemleistung optimiert werden. Die Frequenz kann werkseitig von SiTime, von wichtigen Vertriebshändlern oder für geringere Volumina im Labor des Kunden mithilfe eines Oszillatorprogrammierers programmiert werden.
Frequenzstabilität
Frequenzstabilität ist eine grundlegende Leistungsspezifikation für Oszillatoren. Sie wird typischerweise in Teilen pro Million (ppm) oder Teilen pro Milliarde (ppb) ausgedrückt und bezieht sich auf die Nennausgangsfrequenz. Sie stellt die Abweichung der Ausgangsfrequenz aufgrund äußerer Bedingungen dar; Daher bedeutet eine kleinere Stabilitätszahl eine bessere Leistung. Die Definition externer Bedingungen kann für verschiedene Oszillatorkategorien unterschiedlich sein, umfasst jedoch normalerweise Temperaturschwankungen und einen anfänglichen Offset bei 25 ° C. Dazu können auch Frequenzalterung im Laufe der Zeit, Frequenzverschiebungen durch Löten und elektrische Bedingungen wie Schwankungen der Versorgungsspannung gehören und Ausgangslastschwankung.
Ausgangssignalformat
Chipsatzanbieter können den erforderlichen Ausgangssignalmodus für Timing-Chips angeben, oder der Systementwickler hat möglicherweise einen gewissen Spielraum. Ausgangstypen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Single-Ended oder Differential. Single-Ended-Oszillatoren sind kostengünstiger und einfacher zu implementieren, weisen jedoch Einschränkungen auf. Sie reagieren etwas empfindlich auf Platinenrauschen und eignen sich daher normalerweise besser für Frequenzen unter 166 MHz. LVCMOS ist der gebräuchlichste Single-Ended-Ausgangstyp mit Rail-to-Rail-Schwingung. SiTime bietet auch einen NanoDrive™-Ausgang, der dem LVCMOS ähnelt, jedoch über einen programmierbaren Ausgangshub von bis zu 200 mV verfügt, um den Eingangsanforderungen des nachgeschalteten Chips gerecht zu werden und den Stromverbrauch zu minimieren.
Differenzielle Signalisierung ist eine teurere Option, ermöglicht jedoch eine bessere Leistung und wird für Anwendungen mit höheren Frequenzen bevorzugt. Da jegliches Rauschen, das beiden Differenzleiterbahnen gemeinsam ist, auf Null gesetzt wird, ist dieser Modus weniger empfindlich gegenüber externem Rauschen und erzeugt geringere Jitter- und EMI-Werte. Die am häufigsten verwendeten Differenzsignaltypen sind LVPECL, LVDS und HCSL.
Versorgungsspannung
Die Versorgungsspannung, angegeben in Volt (V), ist die zum Betrieb des Oszillators erforderliche Eingangsleistung. Die Versorgungsspannung versorgt den Oszillator über den VDD-Pin mit Strom und wird manchmal als VDD bezeichnet. Zu den Standardspannungen für Single-Ended-Oszillatoren gehören 1,8, 2,5 und 3,3 V. Die Spannungen für moderne Differentialoszillatoren liegen typischerweise zwischen 2,5 und 3,3 V. SiTime bietet Oszillatoren, die bereits bei 1,2 V betrieben werden, für geregelte Versorgungsanwendungen wie Knopfzellen- oder Super-Cap-Batterie-Backup. Die Versorgungsspannung der meisten SiTime-Oszillatorfamilien ist programmierbar, wodurch der Bedarf an externen Komponenten wie Pegelumsetzern oder Spannungsreglern reduziert wird.
Versorgungsstrom
Der Versorgungsstrom ist der maximale Betriebsstrom eines Oszillators. Sie wird in Mikroampere (µA) oder Milliampere (mA) bei maximaler und manchmal auch nominaler Versorgungsspannung gemessen. Der typische Versorgungsstrom wird ohne Last gemessen.
Betriebstemperatur
Der Betriebstemperaturbereich ist die Temperaturspanne, in der alle Oszillatorparameter im Datenblatt angegeben sind. Gängige Temperaturbereiche sind unten aufgeführt.
- Gewerblich, Automobilklasse 4: 0 ° C bis 70 ° C
- Erweiterter kommerzieller Bereich: -20 ° C bis 70 ° C
- Industrie, Automobil Klasse 3: -40 ° C bis 85 ° C
- Erweiterte Industrie, Automobilklasse 2: -40 ° C bis 105 ° C
- Automobilklasse 1: -40 ° C bis 125 ° C
- Militär: -55 ° C bis 125 ° C
- Automobilklasse 0: -40 ° C bis 150 ° C
Pakete
Oszillatoren sind normalerweise in Metall-, Keramik- oder Kunststoffgehäusen untergebracht. Und sie sind in verschiedenen branchenüblichen Gehäuseabmessungen erhältlich. Die Anordnung der Pads (Stifte) kann je nach Anbieter variieren, die gesamten xy-Abmessungen sind jedoch standardisiert. Hier ist eine Liste gängiger Oszillatorgehäusegrößen für Single-Ended-Oszillatoren, die normalerweise über 4 Pins verfügen. Differentialoszillatoren mit 6 Pins sind normalerweise in den größeren Gehäusen 3225, 5032 und 7050 erhältlich.
- 2016 : 2,0 x 1,6 mm
- 2520: 2,5 x 2,0 mm
- 3225: 3,2 x 2,5 mm
- 5032: 5,0 x 3,2 mm
- 7050: 7,0 x 5,0 mm
Einige Spezialoszillatoren wie OCXOs sind in deutlich größeren Gehäusen untergebracht, die oft 25,4 x 25,4 mm messen, aber auch zwischen 9,7 x 7,5 mm und 135 x 72 mm groß sein können.
Zusätzlich zu diesen Standardpaketgrößen bietet SiTime eine Reihe einzigartiger Pakete zur Lösung schwieriger Designherausforderungen. Eines davon ist ein winziges 1508 (1,5 mm x 0,8 mm) großes Chip-Scale-Gehäuse (CSP), das kleinste verfügbare Oszillatorgehäuse. Eine weitere Option ist ein bedrahtetes SOT23-5-Gehäuse für Anwendungen, die eine höhere Zuverlässigkeit auf Platinenebene und eine einfachere visuelle Inspektion während der Platinenmontage erfordern.
Nervosität
Insbesondere für digitale Kommunikationsanwendungen ist Jitter ein wichtiger Parameter. Es handelt sich um die kurzfristige Abweichung von einem idealen Taktsignal und wird in Pikosekunden (ps) oder Nanosekunden (ns) gemessen. Da Jitter einer der Hauptverursacher von System-Timing-Fehlern sein kann, ist es wichtig, den Oszillator-Jitter bei der Bewertung des gesamten Timing-Budgets zu berücksichtigen. Das ist nicht unbedingt eine einfache Angelegenheit. Oszillatorhersteller geben Jitter nicht alle auf die gleiche Weise an. Die Jitter-Anforderungen variieren je nach Anwendung und es gibt verschiedene Arten von Jitter und unterschiedliche Integrationsbereiche für integrierten Phasen-Jitter, der im Frequenzbereich gemessen wird. Um dies zu klären, enthält unser Glossar Definitionen für Cycle-to-Cycle-Jitter (C2C), integriertem Phasen-Jitter (IPJ), Langzeit-Jitter, Perioden-Jitter und Phasenrauschen. Und unsere App-Notiz zu Clock-Jitter-Definitionen und Messmethoden bietet noch mehr Informationen.
Andere Parameter
Die oben aufgeführten acht Parameter sind die am häufigsten verwendeten Faktoren bei der Auswahl eines Oszillators. Doch je nach Anwendung können noch viele weitere Merkmale und Merkmale berücksichtigt werden. Dazu gehören EMI-Reduzierungsfunktionen, Pull-Range-Optionen zur Feinabstimmung von Frequenz, Startzeit und Qualität/Zuverlässigkeit (Q, DPPM, MTBF, FIT-Rate).
Und für Hochleistungsanwendungen müssen über die grundlegende Frequenzstabilität hinaus eine Reihe zusätzlicher stabilitätsbezogener Spezifikationen berücksichtigt werden. Dazu gehören Alterung, Frequenz-Temperatur-Steigung ( ΔF/ΔT) , thermische Hysterese, Allan-Abweichung, Hadamard-Varianz, Holdover und Retrace.
Weitere Informationen zu diesen und weiteren Parametern finden Sie in unserem Glossar – einem der umfangreichsten verfügbaren Leitfäden zur Oszillatordefinition.
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Vielen Dank an Jim Holbrook, Director of Customer Engineering SiTime, für seine Beiträge zu diesem Artikel.