Cómo cumplir de forma sencilla y rentable los requisitos de temporización de los circuitos de baja potencia utilizando SPXO

La temporización de los circuitos es una función crítica que requieren una amplia gama de dispositivos electrónicos, incluidos los microcontroladores, las interfaces USB, Ethernet, Wi-Fi y Bluetooth, así como los dispositivos informáticos y los periféricos, los dispositivos médicos, los equipos de prueba y medición, el control y la automatización industrial, el Internet de las cosas (IoT), los dispositivos para vestir y la electrónica de consumo. El diseño de osciladores controlados por cristal para proporcionar la temporización del sistema parece, en principio, un ejercicio sencillo, pero los diseñadores deben tener en cuenta numerosos parámetros y requisitos de diseño a la hora de adaptar un cristal de cuarzo a un CI oscilador.

Las numerosas consideraciones incluyen la impedancia de movimiento del cristal, el modo de resonancia, el nivel de accionamiento y la resistencia negativa del oscilador. Para el diseño del circuito, el diseñador debe tener en cuenta la capacitancia parásita de la placa de PC, la inclusión de una banda de protección alrededor del cristal y la capacitancia integrada en el chip. El diseño final debe ser compacto y fiable, con un número mínimo de componentes, tener una baja fluctuación cuadrática media (rms) y ser capaz de funcionar en un amplio rango de tensión de entrada con un consumo mínimo de energía.

Una solución es utilizar osciladores de cristal empaquetados simples (SPXO). Optimizados para un bajo consumo de energía y un bajo jitter rms, además de funcionar a cualquier tensión entre 1,60 y 3,60 voltios, estos osciladores de tensión continua permiten a los diseñadores implementar soluciones que requieren un mínimo esfuerzo de diseño para su integración en los sistemas.

En este artículo se analizan brevemente algunos de los requisitos importantes de rendimiento y los retos de diseño que deben satisfacerse para diseñar con éxito circuitos de temporización utilizando cristales de cuarzo discretos y circuitos integrados de temporización. A continuación, presenta las soluciones SPXO de Abracon y muestra cómo los diseñadores pueden utilizarlas para satisfacer de forma eficaz y eficiente las necesidades de temporización de los sistemas electrónicos.

Funcionamiento del oscilador de cristal y retos de diseño

El consumo de energía es una consideración importante en los dispositivos inalámbricos pequeños alimentados por batería. Muchos de estos dispositivos se basan en radios y procesadores de sistema en chip (SoC) de muy bajo consumo que pueden soportar baterías de varios años de duración. Además, minimizar el tamaño de la batería es importante para controlar el coste del dispositivo, ya que la batería puede ser el componente más caro del sistema. Dicho esto, la corriente de espera suele ser la consideración más importante para la duración de la batería en los sistemas inalámbricos pequeños, y el oscilador del reloj suele dominar la corriente de espera. Por lo tanto, es fundamental minimizar el consumo de corriente del oscilador.

Lamentablemente, el diseño de osciladores de bajo consumo puede ser un reto. Una forma de ahorrar energía es minimizar la corriente de espera entrando en un estado "desactivado" y arrancando el oscilador cuando sea necesario. Sin embargo, los osciladores de cristal no son sencillos de poner en marcha de forma rápida y fiable. Los diseñadores deben tener cuidado para garantizar que el oscilador consuma poca corriente durante el modo de espera y tenga características de arranque fiables en todas las condiciones de funcionamiento y ambientales.

La configuración del oscilador Pierce se utiliza habitualmente en los SoC inalámbricos de bajo consumo (Figura 1). Un oscilador Pierce está construido alrededor de un cristal (X) y condensadores de carga (C₁ y C₂), envuelto con un amplificador inversor que utiliza una resistencia de retroalimentación interna. En las condiciones adecuadas, cuando la salida del amplificador se retroalimenta en la entrada, resulta una resistencia negativa y se produce la oscilación.

Figura 1: Configuración básica del oscilador Pierce construida alrededor de un cristal (X) y condensadores de carga C₁ y C₂. (Fuente de la imagen: Abracon)

Los cristales son estructuras complejas; esta discusión solo proporciona una visión de alto nivel y simplificada de su funcionamiento en los osciladores.

El margen de ganancia en bucle cerrado, Gm, puede utilizarse como figura de mérito (FOM) para caracterizar la fiabilidad de un oscilador en relación con diversas pérdidas. También se denomina compensación de oscilación (OA). Una OA inferior a 5 puede dar lugar a bajos rendimientos de producción y a problemas de puesta en marcha relacionados con la temperatura. Los diseños con un OA de 20 o más son resistentes, proporcionan un funcionamiento fiable en el rango de temperatura de funcionamiento diseñado y son insensibles a las variaciones de los lotes de producción en términos de características de rendimiento del cristal y del SoC.

Para medir la OA de un oscilador, se añade al circuito una resistencia variable,_Ra (Figura 2). El valor de R_a se incrementa hasta que el oscilador no puede arrancar. Ese es el valor que se utiliza para determinar la OA de la siguiente manera:

Ecuación 1

Donde:

R_n es la resistencia negativa

R_e es la resistencia en serie equivalente (ESR)

Ecuación 2

Ecuación 3

Donde la capacitancia de carga, C_L, se calcula utilizando:

Ecuación 4

Donde Cs es la capacitancia vagabunda del circuito, normalmente de 3,0 a 5,0 picofaradios (pF).

Figura 2: Oscilador Pierce mostrando el modelo de cristal expandido (en el recuadro del centro) y la resistencia ajustable (_Ra) para medir el margen de oscilación. (Fuente de la imagen: Abracon)

OA depende de la ESR (R_e), y la ESR depende del parámetro R_m del cristal de cuarzo y de la capacidad de carga, C_L. El impacto de R_m y C_L en OA aumenta para los osciladores de baja potencia, como los utilizados en dispositivos inalámbricos de baja potencia. Medir la OA lleva tiempo y puede parecer que alarga el proceso de desarrollo. Como resultado, puede pasarse por alto, causando problemas de rendimiento cuando el sistema o dispositivo entra en producción.

Además, fijar una OA alta para garantizar un funcionamiento fiable del oscilador puede dar lugar a otros problemas. Por ejemplo, un OA elevado dará lugar a un alto rendimiento del circuito oscilador, pero las pérdidas de potencia debidas al cristal pueden pasarse por alto. Estas pérdidas pueden ser un factor importante. Volviendo a la figura 2, la resistencia de movimiento del cristal, R_m, provoca la disipación de energía a medida que la corriente pasa por la resistencia. La corriente y las pérdidas aumentan cuando C_L es mayor. Los diseñadores deben lograr un equilibrio entre las pérdidas de potencia en el cristal y un valor razonable de OA.

Evitar las fluctuaciones

Al diseñar osciladores de cristal de cuarzo, es importante comprender y minimizar el jitter. Hay dos tipos de fluctuación de fase, que se suelen medir como valores eficaces:

• Fluctuación ciclo a ciclo: También llamado fluctuación de fase, es la máxima diferencia de tiempo entre varios periodos de oscilación medidos, normalmente medidos sobre un mínimo de 10 periodos.
• Fluctuación del período: Es el cambio máximo de un flanco de reloj y se mide en cada período, pero no en períodos múltiples.

Las principales fuentes de fluctuación en los osciladores de cristal de cuarzo son el ruido de la fuente de alimentación, los armónicos enteros de la frecuencia de la señal, las condiciones inadecuadas de carga y terminación, el ruido del amplificador y determinadas configuraciones de los circuitos. Dependiendo de la fuente, hay varios métodos que se pueden emplear para minimizar la fluctuación:

• Utilización de condensadores de derivación, perlas de chip o filtros de resistencia-condensador (RC) para controlar el ruido de la fuente de alimentación.
• En las aplicaciones críticas que exigen una fluctuación muy baja, es importante establecer un método para controlar los armónicos (más allá del alcance de este artículo).
• Reduce la potencia reflejada en la salida optimizando las condiciones de carga y terminación.
• Evite utilizar diseños que incluyan bucles de bloqueo de fase, multiplicadores o funciones programables, ya que tienden a aumentar la fluctuación.

Osciladores de cristal de tensión continua

Los diseñadores de sistemas con una tensión de polarización variable entre 1,60 y 3,60 voltios pueden beneficiarse del uso de los SPXO ASADV, ASDDV y ASEDV de Abracon (Figura 3). Estas familias de SPXO cubren diferentes rangos de frecuencia; de 1.25 megahercios (MHz) a 100 MHz para los dispositivos ASADV, y de 1 MHz a 160 MHz para los dispositivos ASDDV y ASEDV. Cumplen con la normativa RoHS/RoHS II y se presentan en paquetes de dispositivos cerámicos de montaje superficial (SMD) herméticos. Su estabilidad de frecuencia es de ±25 partes por millón (ppm) en su rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C.

Figura 3: Los SPXO ASADV (en la imagen), ASDDV y ASEDV están empaquetados en paquetes cerámicos herméticos y pueden funcionar desde -40 °C hasta +85 °C. (Fuente de la imagen: Abracon)

La ASADV mide 2.0 x 1.6 x 0.8 milímetros (mm), la ASDDV mide 2.5 x 2.0 x 0.95 mm y la ASEDV mide 3.2 x 2.5 x 1.2 mm. Estas tres series están disponibles con una variedad de rangos de temperatura de funcionamiento comunes, opciones de estabilidad y un formato de salida compatible con CMOS/HCMOS/LVCMOS.

Es importante destacar que las familias ASADV, ASDVD y ASEDV están optimizadas para un funcionamiento de baja corriente (Figura 4). La función de activación/desactivación de la salida reduce la corriente a sólo 10 microamperios (μA) cuando está desactivada. Tienen un tiempo máximo de arranque de 10 milisegundos (ms).

Figura 4: Se muestra el consumo de corriente del ASEDV en función de la tensión de alimentación, lo que es típico del rendimiento de esta familia de SPXOs (medido a 25°C ±3°C). (Fuente de la imagen: Abracon)

Las tres familias de SPXO tienen un consumo de corriente especialmente bajo. Para el ASADV, la corriente máxima (medida en una carga de 15 pF a 25 °C) oscila entre 1.0 miliamperios (mA) a 1,25 MHz y una tensión de alimentación de 1.8 voltios, y 14.5 mA a 81 MHz y una tensión de alimentación de 3.3 voltios. Para el ASDDV y el ASEDV, la corriente máxima oscila entre 1.0 mA a 1 MHz y una tensión de alimentación de 1.8 voltios, y 19 mA a 157 MHz y una tensión de alimentación de 3.3 voltios.

Los dispositivos pueden accionar múltiples cargas y tienen un buen rendimiento frente a las interferencias electromagnéticas (EMI) y una baja fluctuación. Están especificados para una fluctuación de fase rms de <1.0 picosegundo (ps) y una fluctuación de periodo de 7.0 ps, como máximo.

Los SPXO también ofrecen una buena estabilidad de frecuencia en todo su rango de temperatura de funcionamiento (Figura 5). En muchas aplicaciones, estos osciladores se pueden utilizar como soluciones directas que requieren poco trabajo de diseño. También eliminan la necesidad de seleccionar un oscilador específico para la polarización y eliminan las variaciones de frecuencia dependientes de la polarización.

Figura 5: Estos SPXO tienen una buena estabilidad de frecuencia en todo el rango de temperatura de funcionamiento. Este gráfico de la familia ASEDV es típico. (Fuente de la imagen: Abracon)

Por último, cuando los golpes y las vibraciones no son consideraciones críticas, los osciladores de cristal de montaje superficial de tensión continua ASADV, ASDVD y ASEDV pueden utilizarse para ofrecer alternativas de menor costo a los osciladores de los sistemas microelectromecánicos (MEMS).

Conclusión:

Los diseñadores necesitan osciladores precisos y fiables para proporcionar una temporización estable en una amplia gama de aplicaciones y temperaturas de funcionamiento. Los osciladores controlados por cristales discretos pueden cumplir las características de rendimiento requeridas, pero el diseño eficaz con cristales puede ser técnicamente difícil, lento, innecesariamente costoso y subóptimo con respecto al factor de forma.

Como se ha mostrado, los diseñadores pueden utilizar en su lugar SPXO integrados y de bajo consumo que forman soluciones de temporización de fácil acceso con una buena estabilidad de frecuencia en un amplio rango de temperaturas de funcionamiento. Con los SPXO, los diseñadores pueden reducir el número de componentes, disminuir el tamaño de la solución, reducir los costes de montaje y mejorar la fiabilidad.

Lecturas recomendadas

Cómo seleccionar y aplicar eficazmente un oscilador