Comprender los parámetros del oscilador de cristal para optimizar la selección de componentes

Los osciladores de cristal basados en el cuarzo son el componente principal responsable de la precisión de la frecuencia/temporización y del rendimiento en casi todos los circuitos electrónicos. Por ello, se les exige precisión y exactitud en el tiempo. Por supuesto, el oscilador "perfecto" solo existe en teoría, así que el problema para los diseñadores es el oscilador adecuado para cumplir los objetivos del diseño. No es una tarea fácil.

Una vez determinados los requisitos de rendimiento de la aplicación, los diseñadores deben encontrar la solución con el equilibrio adecuado entre rendimiento, costo, estabilidad, tamaño, potencia, estructura física y capacidad de accionamiento de los circuitos asociados. Para ello, deben comprender los principios de funcionamiento de los osciladores, sus características principales y su evolución.

En este artículo se ofrece una visión general de los fundamentos de los osciladores de cristal antes de examinar diversas perspectivas relacionadas con los módulos de osciladores de cristal de alto rendimiento. A continuación, utilizando dispositivos representativos de ECS Inc. se repasarán brevemente los fundamentos de estos osciladores antes de identificar los parámetros de primer y segundo nivel, junto con algunos valores realistas para estos parámetros. También mostrará cómo se adaptan las diferentes unidades a las necesidades de algunas aplicaciones típicas.

Cómo funcionan los osciladores de cristal

Los osciladores de cristal proporcionan el ritmo del reloj para los procesadores, la temporización de los bits para los enlaces de datos, el tiempo de muestreo para las conversiones de datos y la frecuencia maestra en sintonizadores y sintetizadores. En términos simplificados, el elemento de cuarzo del oscilador de cristal actúa como un elemento resonante de muy alta calidad dentro de la red de retroalimentación de un circuito oscilador (Figura 1). Debido a la importancia de los cristales y sus osciladores, se ha investigado y analizado ampliamente la física fundamental del material de cuarzo, así como su rendimiento eléctrico y mecánico, junto con los diversos circuitos osciladores.

Figura 1: Empleando el efecto piezoeléctrico, un cristal funciona como un elemento resonante de alta calidad, estable y preciso en el bucle de retroalimentación de un circuito oscilador. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International, modificada)

Durante muchos años, los usuarios especificaban la frecuencia del cristal y otras características clave, y luego proporcionaban su propio circuito oscilador independiente utilizando tubos de vacío (en los primeros tiempos), luego transistores y finalmente circuitos integrados. Este circuito solía ser una combinación de un cuidadoso análisis de diseño, así como de algo de "arte" y juicio basado en la experiencia, ya que había muchas sutilezas interrelacionadas. El diseñador intentará equilibrar estos factores para adaptar el rendimiento del oscilador al "corte" y las características del cristal de cuarzo, así como a las prioridades de la aplicación.

Hoy en día, este tipo de diseños de osciladores de cristal "hágalo usted mismo" (DIY) son relativamente raros porque se necesita tiempo y esfuerzo para conseguir el diseño inicial correcto. Luego está la medición precisa del rendimiento de un oscilador. Esto es complejo y requiere una instrumentación de precisión y una cuidadosa configuración. En cambio, para muchas aplicaciones, los diseñadores pueden adquirir un pequeño módulo totalmente cerrado que incluye tanto el elemento de cuarzo como el circuito oscilador y su controlador de salida. Obviamente, esto reduce el esfuerzo y el tiempo de diseño, mientras que el usuario obtiene una unidad totalmente caracterizada y una hoja de datos con especificaciones garantizadas.

Una nota sobre la terminología: Por razones históricas y de otra índole, los ingenieros suelen utilizar la palabra "cristal" cuando en realidad están hablando de todo el circuito oscilador de cristal. Esto no suele ser un problema, ya que el significado que se pretende dar se entiende por el contexto. Sin embargo, a veces puede llevar a confusión, ya que todavía es posible comprar un cristal como componente independiente y luego proporcionar un circuito oscilador separado. En este artículo se utiliza la palabra "oscilador" para referirse al cristal más su circuito oscilador como un módulo autónomo y no sólo al circuito oscilador.

Caracterización de los osciladores de cristal

Como con cualquier componente, el rendimiento del oscilador de cristal se define inicialmente por un conjunto de parámetros de primer nivel. En su orden general de importancia son:

Frecuencia de funcionamiento: Puede oscilar entre decenas de kilohercios (kHz) y cientos de megahercios (MHz). Los osciladores para frecuencias superiores al alcance básico de un oscilador, como en el rango de los gigahercios (GHz), suelen utilizar un bucle de bloqueo de fase (PLL) como multiplicador de frecuencia para convertir la frecuencia fundamental.

Estabilidad de la frecuencia: Es el segundo factor clave de rendimiento de los osciladores. Define la desviación de la frecuencia de salida con respecto a su valor original debido a las condiciones externas, por lo que cuanto más pequeño sea este número, mejor.

Hay muchas condiciones externas que afectan a la estabilidad, y muchos proveedores las señalan individualmente para que el diseñador pueda evaluar el impacto real en las aplicaciones. Entre estos factores se encuentra la variación relacionada con la temperatura respecto a la frecuencia nominal a 25 °C; otros factores incluyen la estabilidad a largo plazo debido al envejecimiento, así como los efectos de la soldadura, las variaciones de la tensión de alimentación y los cambios de carga de salida. En el caso de las unidades de alto rendimiento, suele caracterizarse en partes por millón (ppm) o partes por billón (ppb), con respecto a la frecuencia de salida nominal.

Ruido de fase y jitter: Son dos perspectivas de la misma clase general de rendimiento. El ruido de fase caracteriza el ruido del reloj en el dominio de la frecuencia, mientras que el jitter lo hace en el dominio del tiempo (Figura 2).

Figura 2: El jitter en el dominio del tiempo y el ruido de fase en el dominio de la frecuencia son dos interpretaciones igualmente válidas de las mismas imperfecciones. La vista preferida es una función de la aplicación. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International)

Dependiendo de la aplicación, el diseñador se centrará principalmente en los errores definidos en uno u otro ámbito. El ruido de fase suele definirse como la relación entre el ruido en un ancho de banda de 1 Hertz (Hz) en un desplazamiento de frecuencia especificado, f_m, y la amplitud de la señal del oscilador a la frecuencia f_O. El ruido de fase degrada la precisión, la resolución y la relación señal/ruido (SNR) en los sintetizadores de frecuencia (Figura 3), mientras que el jitter provoca errores de sincronización y, por tanto, contribuye a aumentar la tasa de error de bits (BER) en los enlaces de datos.

Figura 3: El ruido de fase extiende el espectro de potencia del oscilador y tiene un efecto perjudicial sobre la resolución y la SNR. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International)

La fluctuación de tiempo provoca errores de muestreo en las conversiones analógicas/digitales y, por lo tanto, también afecta a la SNR y al posterior análisis de frecuencias por transformada rápida de Fourier (FFT).

Los dispositivos de la familia MultiVolt de osciladores estándar(MV) de ECS Inc. están disponibles con estabilidades tan bajas como ±20 ppm, mientras que sus osciladores de estabilidad ajustada(SMV) ofrecen estabilidades de hasta ±5 ppm. Para una estabilidad aún mayor, los TCXO de MultiVolt ofrecen un rendimiento de ±2.5 ppm con salidas HCMOS y ±0.5 ppm para salidas de onda sinusoidal recortada (tanto los TCXO como las ondas sinusoidales recortadas se explican más adelante).

Independientemente del dominio, el ruido de fase/perturbación es un factor importante para los diseños de alto rendimiento y debe tenerse en cuenta en el presupuesto de errores teniendo en cuenta las necesidades de la aplicación. Tenga en cuenta que hay muchos tipos de fluctuación, incluyendo la fluctuación absoluta, la fluctuación ciclo a ciclo, la fluctuación de fase integrada, la fluctuación a largo plazo y la fluctuación de periodo; para el ruido de fase también hay diferentes rangos y tipos de integración, incluyendo el ruido blanco y varios "colores" de ruido.

Comprender los detalles del jitter y del ruido de fase en el oscilador y su impacto en la aplicación puede ser a menudo un reto. Es difícil convertir una especificación de un dominio a otro; en su lugar, los usuarios deben acudir a la hoja de datos. También es importante comprender las legítimas, aunque diferentes, definiciones de los proveedores que cuantifican el rendimiento al contabilizar estos errores en el presupuesto general de errores.

Tipo de señal de salida y accionamiento: Deben adaptarse a la carga conectada (Figura 4). Las dos topologías de accionamiento de la salida son monopolar y diferencial.

Figura 4: Existen diferentes formatos de salida que deben ser compatibles con la configuración de la carga del oscilador. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International)

Los osciladores de un solo extremo son más fáciles de implementar, pero tienen más sensibilidad al ruido y suelen ser más adecuados solo hasta varios cientos de megahercios. Entre los tipos de salida de un solo extremo se encuentran:

• TTL (lógica de transistor a transistor): de 0.4 a 2.4 voltios (ahora se usa poco)
• CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario): de 0.5 a 4.5 voltios
• HCMOS (CMOS de alta velocidad): 0.5 a 4.5 voltios
• LVCMOS (CMOS de bajo voltaje): 0.5 a 4.5 voltios

Las salidas diferenciales son más difíciles de diseñar, pero proporcionan un mejor rendimiento en aplicaciones de alta frecuencia, ya que cualquier ruido común a las trazas diferenciales se anula. Esto ayuda a mantener el rendimiento del oscilador según el circuito de carga. Los tipos de señales diferenciales son:

• PECL (lógica acoplada de emisor positivo): 3.3 a 4.0 voltios
• LVPECL (PECL de bajo voltaje); 1.7 a 2.4 voltios
• CML (lógica en modo corriente): 0.4 a 1.2 voltios y 2.6 a 3.3 voltios
• LVDS (señalización diferencial de bajo voltaje): 1.0 a 1.4 voltios
• HCSL (lógica de dirección de corriente de alta velocidad): 0.0 a 0.75 voltios

La elección del tipo de señal viene determinada por las prioridades de la aplicación y los circuitos asociados.

La forma de onda de salida del oscilador puede ser una onda sinusoidal clásica de una sola frecuencia o una onda sinusoidal recortada (Figura 5). La onda analógica es la más "limpia" y la menos sujeta a fluctuaciones/ruido de fase, frente al uso de un circuito comparador para transformarla en una onda cuadrada, ya que al hacerlo se añaden fluctuaciones/ruido de fase y, por tanto, se degrada. La onda sinusoidal recortada crea una salida similar a la onda cuadrada que es compatible con las cargas digitales sin sacrificar nada del rendimiento.

Figura 5: La onda sinusoidal recortada se aproxima a una onda cuadrada minimizando cualquier fluctuación o ruido de fase adicional. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International)

Tensión y corriente de alimentación: ambas han disminuido para satisfacer las necesidades de los sistemas actuales de menor tensión y a menudo alimentados por baterías. La mayoría de los osciladores de la serie MultiVolt pueden funcionar con tensiones de alimentación de 1.8 voltios, 2.5 voltios, 3.0 voltios y 3.3 voltios.

Tamaño de los paquetes: Al igual que con la tensión y la corriente de funcionamiento, los paquetes de los osciladores también se han hecho más pequeños. La industria tiene algunos tamaños estandarizados para los dispositivos de un solo extremo (que sólo necesitan cuatro conexiones), mientras que los osciladores diferenciales tienen seis contactos y utilizan los paquetes más grandes, con dimensiones dadas aquí en milímetros (mm):

1612: 1.6 mm × 1.2 mm

2016: 2.0 mm × 1.6 mm

2520: 2.5 mm × 2.0 mm

3225: 3.2 mm × 2.5 mm

5032: 5.0 mm × 3.2 mm

7050: 7.0 mm × 5.0 mm

Se trata en gran medida de la temperatura

El mayor factor externo que afecta y modifica el rendimiento del oscilador es la temperatura. Aunque la potencia de funcionamiento del oscilador sea baja y, por lo tanto, el autocalentamiento sea casi insignificante, la temperatura ambiente afecta a la frecuencia de funcionamiento, ya que esos cambios afectan a las dimensiones y tensiones mecánicas del cristal de cuarzo. Es importante comprobar el rendimiento del oscilador seleccionado en los extremos de los rangos previstos. Estos rangos se describen comúnmente como:

• Comercial, grado de automoción 4: 0 a +70 °C
• Comercial ampliado: -20 a +70 °C
• Industrial, grado de automoción 3: -40 a +85 °C
• Industrial extendido, grado de automoción 2: -40 a +105 °C
• Grado de automoción 1: -40 a +125 °C
• Militar: -55 a +125 °C
• Grado de automoción 0: -40 a +150 °C

En algunos diseños, no sólo hay que tener en cuenta el rendimiento en función de la temperatura, sino también la necesidad de cumplir otras especificaciones de fiabilidad. El ECS-2016MVQ, por ejemplo, es un oscilador de salida HCMOS de montaje superficial en miniatura para un funcionamiento de 1.7 a 3.6 voltios (Figura 6). El encapsulado cerámico de 2016 (2.0 mm × 1.6 mm, por encima) mide 0.85 mm de altura, está destinado a aplicaciones industriales más duras y cuenta con la calificación AEC-Q200 (automoción) para los requisitos de temperatura de grado 1. Está disponible para frecuencias que van de 1,5 a 54 MHz en cuatro grados de estabilidad de frecuencia, de ±20 ppm a ±100 ppm sobre -40 °C a +85 °C; la fluctuación de fase es muy baja, de sólo 1 picosegundo (ps), medida de 12 kHz a 5 MHz.

Figura 6: El ECS-2016MVQ está disponible para frecuencias de 1.5 a 54 MHz y en cuatro grados de estabilidad de ±20 ppm a ±100 ppm. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International)

Para las aplicaciones en las que la deriva en el rango de funcionamiento es inaceptablemente alta, existen dos implementaciones avanzadas de osciladores: el oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO) y el oscilador de cristal controlado por horno (OCXO). (Tenga en cuenta que XTAL es la designación del cristal en muchos esquemas, y la "X" se utiliza como una abreviatura de eso en el acrónimo) Un TCXO utiliza un circuito activo para compensar el cambio en la frecuencia de salida debido a la variación de la temperatura. En cambio, en el OCXO, el oscilador de cristal se coloca en un horno aislado térmicamente que se calienta y se mantiene a una temperatura constante por encima de la temperatura ambiente máxima (un horno que solo se calienta no puede enfriarse por debajo de la temperatura ambiente).

Los TCXO requieren circuitos adicionales en comparación con un oscilador básico, pero mucha menos energía que el OCXO con su horno, que suele requerir varios vatios. Además, el TCXO es solo un poco más grande que una unidad no compensada y es mucho más pequeño que un OCXO. Un TCXO suele mostrar una mejora en la deriva de entre 10 y 40 veces la de una unidad no compensada, mientras que un OXCO puede mostrar un rendimiento de la deriva que es dos órdenes de magnitud de mejora en comparación, pero con una penalización significativa en el tamaño y la potencia.

El ECS-TXO-32CSMV es un TCXO de montaje en superficie de onda sinusoidal recortada con capacidad MultiVolt (alimentación de 1.7 a 3.465 voltios) para frecuencias entre 10 y 52 MHz (Figura 7). El paquete de cerámica de 3.2 × 2.5 × 1.2 mm de altura es muy adecuado para aplicaciones portátiles e inalámbricas en las que la estabilidad es fundamental. Las especificaciones clave muestran su altísima estabilidad frente a la temperatura, el cambio de alimentación, el cambio de carga y el envejecimiento, junto con su modesto requerimiento de corriente de menos de 2 mA (Tabla 1).

Figura 7: El ECS-TXO-32CSMV es un oscilador de cristal de salida de onda sinusoidal recortada que incorpora un circuito de compensación interno para mejorar considerablemente el rendimiento de la estabilidad. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International)

Tabla 1: Las especificaciones del TXCO ECS-TXO-32CSMV con compensación de temperatura muestran cómo su compensación interna mejora el rendimiento de la estabilidad a pesar de un conjunto de perturbaciones externas. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International)

Funcionamiento de bajo consumo: a menudo es una prioridad

A pesar de la tendencia a aumentar la frecuencia de los relojes de los procesadores y la velocidad de los datos, sigue habiendo una gran necesidad de osciladores de cristal de baja frecuencia para la temporización en aplicaciones de muy bajo consumo. Por ejemplo, el ECS-327MVATX es un oscilador miniatura de montaje en superficie que funciona a una frecuencia fija de 32,768 kHz con capacidad MultiVolt (1.6 a 3.6 voltios). Con su requisito de corriente de solo 200 microamperios (µA) y su salida CMOS de un solo extremo, es una buena opción para aplicaciones de reloj en tiempo real (RTC), de bajo consumo/portátiles, industriales y del Internet de las cosas (IoT). Se ofrece en los tamaños de encapsulado 2016 a 7050, con una estabilidad de frecuencia que oscila entre un ajustado ±20 ppm y un algo más flojo ±100 ppm en el rango de temperaturas de -40 °C a +85 °C, según el modelo.

Para minimizar el consumo medio de energía, muchos osciladores también ofrecen una función de activación/desactivación. Por ejemplo, el ECS-5032MV es un oscilador de montaje superficial de 125 MHz con capacidad de funcionamiento MultiVolt de 1.6 a 3.6 voltios y salida CMOS, que se ofrece en un paquete cerámico 5032 (Figura 8).

Figura 8: El ECS-5032MV es un oscilador de montaje superficial de 125 MHz con una función de activación/desactivación que puede ayudar a ahorrar energía. (Fuente de la imagen: ECS Inc. International)

Uno de sus cuatro contactos permite poner el oscilador en modo de espera, reduciendo la corriente necesaria desde el valor activo de 35 mA a solo 10 microamperios (µA) de corriente de espera. El tiempo de arranque es de 5 milisegundos (ms) después de volver a activar la unidad.

Adecuación de las especificaciones a la aplicación

La decisión de elegir un oscilador de cristal adecuado para una aplicación es, como es de esperar, un equilibrio entre las especificaciones, las prioridades, el costo y su ponderación relativa. Se trata de algo más que la consideración obvia de seleccionar una unidad con la frecuencia nominal requerida, la estabilidad de la frecuencia, el ruido de fluctuación/fase y otros atributos como oscilador independiente. Los usuarios también deben asegurarse de que el accionamiento de salida del oscilador es compatible con la carga y el sistema asociados, de modo que el emparejamiento no degrade el rendimiento. Aunque hay muchas consideraciones de este tipo, hay algunas directrices generales:

• Una salida LVDS solo requiere una única resistencia en el receptor, mientras que LVPECL requiere una terminación tanto en el transmisor como en el receptor.
• LVDS, LVPECL y HCSL tienen transiciones más rápidas que CMOS, pero requieren más potencia y son más adecuados para diseños de alta frecuencia.
• Para un menor consumo de energía por encima de 150 MHz, CMOS o LVDS son las mejores opciones.
• LVPECL, LVDS y luego CMOS ofrecen el mejor rendimiento de jitter a frecuencias más bajas.

Conclusión:

El oscilador de cristal de cuarzo está en el corazón de muchos circuitos y sistemas. Garantizar que el rendimiento de esta función se ajusta a los requisitos de la aplicación requiere un cuidadoso equilibrio entre los parámetros clave, empezando por la precisión de la frecuencia nominal, la estabilidad frente a la temperatura y otros factores como el jitter y el ruido de fase. También es necesario adaptar el formato de accionamiento de la salida del oscilador a las características del circuito de carga. Los osciladores de cristal de las familias ECS MultiVolt ofrecen un rendimiento superior con combinaciones de especificaciones en módulos completos y fáciles de usar.