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8つの最も重要な（そして基本的な）オシレーターパラメータ

電子部品を選ぶとき、最初に何を考えますか?おそらく、それはプロセッサか、システムの中心となる何かであると考えられます。クロックはシステム内のすべての信号に依存するハートビートを提供しますが、タイミング コンポーネントについてはほとんど気に留めないかもしれません。

考慮すべき8つのオシレーター設定

これらの重要なタイミング コンポーネントの選択は簡単なプロセスのように見えるかもしれませんが、システムのパフォーマンスに影響を与える考慮すべき要素が多数あります。では、最も重要な仕様と考慮事項は何でしょうか?以下に、オシレーターの主要なパラメーターとその重要性の短いリストを示します。もちろん、考慮すべき詳細はさらにあるため、より広範囲の発振器特性をカバーする詳細な用語集を作成しました。

頻度

オシレーターの最も基本的なパラメーターは周波数です。これは発振器から出力される信号の繰り返し率 (サイクル) であり、1 秒あたりのヘルツ (Hz) で測定されます。 SiTime 発振器は、低電力デバイスの場合は最低 1 Hz、最高 725 MHz の周波数で利用できます。 SiTime 発振器の周波数は、この範囲内で小数点以下 6 桁の精度までプログラム可能です。カスタム周波数を使用すると、システムのパフォーマンスを最適化できます。周波数は、SiTime によって工場でプログラムされるか、主要な販売代理店によってプログラムされるか、または発振器プログラマを使用して顧客の研究室で低容量向けにプログラムされることができます。

周波数安定性

周波数の安定性は発振器の基本的な性能仕様です。通常、公称出力周波数を基準として、100 万分の 1 (ppm) または 10 億分の 1 (ppb) で表されます。外部条件による出力周波数の偏差を表します。したがって、安定性の数値が小さいほど、パフォーマンスが優れていることを意味します。外部条件の定義は発振器のカテゴリによって異なりますが、通常、温度変動と 25 ° C での初期オフセットが含まれます。これには、時間の経過に伴う周波数の経年変化、はんだ付けによる周波数シフトも含まれる場合があり、電源電圧の変動などの電気的条件が含まれる場合もあります。および出力負荷の変動。

出力信号フォーマット

チップセット ベンダーがタイミング チップに必要な出力信号モードを指定している場合もあれば、システム設計者にある程度の余裕がある場合もあります。出力タイプは、シングルエンドまたは差動の 2 つのカテゴリに分類されます。シングルエンド発振器は低コストで実装が容易ですが、制限があります。これらはボードのノイズに多少敏感であるため、通常は 166 MHz 未満の周波数に適しています。 LVCMOS は、レールツーレールでスイングする最も一般的なシングルエンド出力タイプです。 SiTime は NanoDrive™ 出力も提供します。これは LVCMOS に似ていますが、ダウンストリーム チップの入力要件に適合し、消費電力を最小限に抑えるために、出力スイングを 200 mV までプログラム可能です。

差動信号方式はより高価なオプションですが、パフォーマンスが向上するため、高周波アプリケーションに好まれます。両方の差動トレースに共通するノイズはゼロにされるため、このモードは外部ノイズの影響を受けにくく、生成されるジッターと EMI のレベルが低くなります。最も一般的に使用される差動信号タイプは、LVPECL、LVDS、および HCSL です。

供給電圧

ボルト (V) で指定される電源電圧は、発振器の動作に必要な入力電力です。電源電圧は VDD ピンを介して発振器に電力を供給し、VDD と呼ばれることもあります。シングルエンド発振器の標準電圧には、1.8、2.5、および 3.3V があります。最新の差動発振器の電圧は、通常 2.5 ～ 3.3 V の範囲にあります。 SiTime は、コイン型電池やスーパーキャパシタ電池のバックアップなどの安定化電源アプリケーション向けに、最低 1.2V で動作する発振器を提供しています。ほとんどの SiTime 発振器ファミリの電源電圧はプログラム可能であるため、レベル変換器や電圧レギュレータなどの外部コンポーネントの必要性が減ります。

消費電流

供給電流は発振器の最大動作電流です。最大電源電圧、場合によっては公称電源電圧でマイクロアンペア (µA) またはミリアンペア (mA) で測定されます。標準的な供給電流は負荷なしで測定されます。

動作温度

動作温度範囲は、すべての発振器パラメータがデータシート内で指定されている温度範囲です。一般的な温度範囲を以下に示します。

• 商用、自動車グレード 4: 0 ° C ～ 70 ° C
• 拡張コマーシャル: -20 ° C ～ 70 ° C
• 産業用、自動車用グレード 3: -40 ° C ～ 85 ° C
• 拡張産業用、自動車用グレード 2: -40 ° C ～ 105 ° C
• 自動車グレード 1: -40 ° C ～ 125 ° C
• 軍用: -55 ° C ～ 125 ° C
• 自動車グレード 0: -40 ° C ～ 150 ° C

パッケージ

発振器は通常、金属、セラミック、またはプラスチックのパッケージに収容されています。また、さまざまな業界標準のパッケージ寸法で入手できます。パッド (ピン) の配置はベンダーによって異なる場合がありますが、全体の xy 寸法は標準化されています。以下は、通常 4 つのピンを持つシングルエンド発振器の一般的な発振器パッケージ サイズのリストです。 6 ピンを備えた差動発振器は、通常、3225、5032、および 7050 のより大きなパッケージで入手できます。

• 2016 : 2.0 x 1.6 mm
• 2520：2.5×2.0mm
• 3225：3.2×2.5mm
• 5032：5.0×3.2mm
• 7050：7.0×5.0mm

OCXO などの一部の特殊な発振器は、非常に大きなパッケージに収められており、多くの場合 25.4 x 25.4 mm ですが、9.7 x 7.5 mm から 135 x 72 mm の範囲に及ぶ場合もあります。

これらの標準的なパッケージ サイズに加えて、SiTime は難しい設計課題を解決するためにいくつかの独自のパッケージを提供しています。 1 つは小型の 1508 (1.5 mm x 0.8 mm) チップスケール パッケージ (CSP) で、入手可能な発振器パッケージの中で最小のものです。もう 1 つのオプションは、基板レベルの信頼性が高く、基板組み立て時の目視検査が容易なアプリケーション向けのリード付き SOT23-5 パッケージです。

ジッター

ジッターは、特にデジタル通信アプリケーションにとって重要なパラメーターです。これは、理想的なクロック信号からの短期的な偏差であり、ピコ秒 (ps) またはナノ秒 (ns) 単位で測定されます。ジッターはシステム タイミング エラーの主な要因の 1 つである可能性があるため、合計のタイミング バジェットを評価する際には発振器のジッターを考慮することが重要です。これは必ずしも単純な問題ではありません。発振器メーカーはすべて同じ方法でジッターを指定しているわけではありません。ジッタ要件はアプリケーションによって異なり、さまざまなタイプのジッタと、周波数領域で測定される統合位相ジッタのさまざまな統合範囲があります。これを整理しやすくするために、用語集にはサイクル間 (C2C) ジッター、統合位相ジッター (IPJ)、長期ジッター、周期ジッター、および位相ノイズの定義が含まれています。また、 クロック ジッターの定義と測定方法のアプリケーション ノートでは、さらに詳しい情報が提供されています。

その他のパラメータ

上記の 8 つのパラメータは、オシレーターを選択するときに使用される最も一般的な要素です。ただし、アプリケーションによっては、考慮すべき重要な特性や機能がさらに多く存在する場合があります。これらには、EMI 低減機能、周波数を微調整するためのプル範囲オプション、起動時間、品質/信頼性 (Q、DPPM、MTBF、FIT レート) が含まれます。

また、高性能アプリケーションの場合は、基本的な周波数安定性以外にも安定性関連の追加仕様を考慮する必要があります。これらには、経年変化、周波数対温度の傾き ( ΔF/ΔT) 、熱ヒステリシス、アラン偏差、アダマール分散、ホールドオーバー、およびリトレースが含まれます。

これらのパラメータやその他の詳細については、利用可能な最も広範なオシレーター定義ガイドの 1 つである 用語集を参照してください。

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この記事への貢献に対し、SiTime カスタマー エンジニアリング担当ディレクターの Jim Holbrook に感謝します。