Comment répondre de manière simple et rentable aux exigences de synchronisation des circuits basse consommation grâce à des oscillateurs SPXO

La synchronisation des circuits représente une fonction essentielle, requise par un large éventail de dispositifs électroniques, notamment les microcontrôleurs, les interfaces Wi-Fi, Bluetooth, USB et Ethernet, ainsi que les dispositifs et périphériques informatiques, les dispositifs médicaux, les équipements de test et de mesure, le contrôle et l'automatisation industriels, l'Internet des objets (IoT), les dispositifs corporels et l'électronique grand public. La conception d'oscillateurs à quartz pour assurer la synchronisation des systèmes semble à première vue être un exercice simple, mais les concepteurs doivent tenir compte de nombreux paramètres et exigences de conception lorsqu'ils associent un quartz à un circuit intégré d'oscillateur.

Les nombreux facteurs à prendre en compte incluent l'impédance cinétique du quartz, le mode résonant, le niveau de commande et la résistance négative de l'oscillateur. Pour la disposition du circuit, le concepteur doit tenir compte de la capacité parasite de la carte à circuit imprimé, de l'inclusion d'une bande de garde autour du quartz et de la capacité intégrée. La conception finale doit être compacte et fiable avec un nombre minimum de composants, présenter une faible gigue efficace (rms) et être capable de fonctionner sur une large plage de tensions d'entrée avec une consommation d'énergie minimale.

Pour cela, l'une des solutions consiste à utiliser des oscillateurs à quartz simples en boîtier (SPXO). Optimisés pour une basse consommation d'énergie et une faible gigue efficace, ainsi que pour un fonctionnement à n'importe quelle tension comprise entre 1,60 volt (V) et 3,60 V, ces oscillateurs à tension continue permettent aux concepteurs de mettre en œuvre des solutions dont l'intégration dans les systèmes nécessite un effort de conception minimal.

Cet article aborde brièvement certains des défis de conception et exigences de performances importants qui doivent être satisfaits pour concevoir avec succès des circuits de synchronisation utilisant des circuits intégrés de synchronisation et des quartz discrets. Il présente ensuite des solutions d'oscillateurs SPXO d'Abracon et montre comment les concepteurs peuvent les utiliser pour répondre de manière efficace et performante aux besoins de synchronisation des systèmes électroniques.

Fonctionnement d'un oscillateur à quartz et défis de conception

La consommation d'énergie est un facteur important pour les dispositifs sans fil compacts, alimentés par batterie. Nombre de ces dispositifs sont basés sur des processeurs et des radios SoC (systèmes sur puce) à très basse consommation qui peuvent prendre en charge des batteries d'une durée de vie de plusieurs années. De plus, il est important de réduire la taille de la batterie pour maîtriser le coût du dispositif, car la batterie peut s'avérer être le composant le plus cher du système. Cela dit, le courant de veille reste souvent le facteur le plus important en matière d'autonomie de la batterie dans les petits systèmes sans fil, et l'oscillateur d'horloge est souvent prédominant dans le courant de veille. Par conséquent, il est essentiel de restreindre la consommation de courant de l'oscillateur.

Toutefois, la conception d'oscillateurs basse consommation peut se révéler difficile. L'une des manières d'économiser l'énergie consiste à limiter le courant de veille en passant à un état « désactivé » et en démarrant l'oscillateur selon les besoins. Cependant, les oscillateurs à quartz ne sont pas simples à mettre en route de manière rapide et fiable. Les concepteurs doivent veiller à ce que l'oscillateur consomme peu de courant en mode veille et présente des caractéristiques de démarrage fiables dans toutes les conditions de fonctionnement et d'environnement.

La configuration d'oscillateur Pierce est fréquemment utilisée dans les SoC sans fil basse consommation (Figure 1). Un oscillateur Pierce est construit autour d'un quartz (X) et de condensateurs de charge (C₁ et C₂), avec un amplificateur inverseur utilisant une résistance de contre-réaction interne. Dans de bonnes conditions, lorsque la sortie de l'amplificateur est réalimentée à l'entrée, une résistance négative se crée et une oscillation se produit.

Figure 1 : Configuration de base d'un oscillateur Pierce construite autour d'un quartz (X) et des condensateurs de charge C₁ et C₂. (Source de l'image : Abracon)

Les quartz sont des structures complexes ; cette discussion ne donne qu'un aperçu général et simplifié de leur fonctionnement dans les oscillateurs.

La marge de gain en boucle fermée, Gm, peut être utilisée comme un facteur de mérite (FOM) pour caractériser la fiabilité d'un oscillateur par rapport à diverses pertes. On parle aussi de tolérance d'oscillation (OA). Une valeur OA inférieure à 5 peut entraîner de faibles rendements de production et des problèmes de démarrage liés à la température. Les conceptions avec une valeur OA de 20 ou plus sont robustes, assurent un fonctionnement fiable sur la plage de températures de fonctionnement prévue et sont insensibles aux variations des lots de production en termes de caractéristiques de performances du quartz et du SoC.

Pour mesurer la valeur OA d'un oscillateur, une résistance variable, R_a, est ajoutée au circuit (Figure 2). La valeur de R_a augmente jusqu'à ce que l'oscillateur ne puisse plus démarrer. Autrement dit, la valeur utilisée pour déterminer OA se présente comme suit :

 Équation 1

Où :

R_n est la résistance négative

R_e est la résistance série équivalente (ESR)

 Équation 2

 Équation 3

Où la capacité de charge, C_L, est calculée comme suit :

 Équation 4

Où Cs correspond à la capacité vagabonde du circuit, généralement de 3,0 picofarads (pF) à 5,0 pF.

Figure 2 : Oscillateur Pierce montrant le modèle de quartz étendu (dans le rectangle au centre) et la résistance ajustable (R_a) pour mesurer la tolérance d'oscillation. (Source de l'image : Abracon)

La valeur OA dépend de la résistance série équivalente (R_e), tandis que la résistance série équivalente dépend du paramètre R_m du quartz et de la capacité de charge, C_L. L'impact de R_m et de C_L sur la valeur OA augmente pour les oscillateurs à basse consommation, tels que ceux utilisés dans les dispositifs sans fil à basse consommation. Mesurer la valeur OA prend du temps et peut sembler ralentir le processus de développement. Par conséquent, elle peut être négligée et entraîner des problèmes de performances lorsque le système ou le dispositif entre en production.

En outre, le fait de définir une valeur OA élevée pour garantir un fonctionnement fiable de l'oscillateur peut entraîner d'autres problèmes. Par exemple, une valeur OA élevée se traduit par des performances élevées du circuit de l'oscillateur, mais les pertes de puissance dues au quartz peuvent être négligées. Or, ces pertes peuvent représenter un facteur important. Si l'on se reporte à la Figure 2, la résistance dynamique du quartz, R_m, entraîne une dissipation de puissance lorsque le courant traverse la résistance. Le courant et les pertes augmentent à mesure que C_L s'accroît. Les concepteurs doivent trouver un équilibre entre les pertes de puissance dans le quartz et une valeur raisonnable pour OA.

Éviter la gigue

Lors de la conception d'oscillateurs à quartz, il est important de comprendre et de limiter la gigue. Il existe deux types de gigue, qui sont généralement mesurés en valeurs rms :

• Gigue cycle-à-cycle : également appelée gigue de phase, il s'agit de la différence de temps maximum entre plusieurs périodes d'oscillation, généralement mesurées sur un minimum de 10 périodes.
• Gigue de période : il s'agit de la variation maximale d'un front d'horloge et elle est mesurée à chaque période, et non à des périodes multiples.

Les principales sources de gigue dans les oscillateurs à quartz sont le bruit de l'alimentation, les harmoniques entières de la fréquence du signal, les conditions de charge et de terminaison inappropriées, le bruit de l'amplificateur et certaines configurations de circuit. Selon la source, plusieurs méthodes peuvent être employées pour limiter la gigue :

• Utiliser des condensateurs de découplage, des perles à puce ou des filtres résistance-condensateur (RC) pour contrôler le bruit de l'alimentation.
• Dans les applications critiques qui exigent une très faible gigue, il est important de déterminer une méthode pour contrôler les harmoniques (au-delà du cadre de cet article).
• Réduire la puissance réfléchie en sortie en optimisant les conditions de charge et de terminaison.
• Éviter d'utiliser des conceptions qui comprennent des boucles à verrouillage de phase, des multiplicateurs ou des fonctionnalités programmables, car ils ont tendance à augmenter la gigue.

Oscillateurs à quartz à tension continue

Les concepteurs de systèmes à tension de polarisation variant entre 1,60 V et 3,60 V peuvent bénéficier de l'utilisation des oscillateurs SPXO séries ASADV, ASDDV et ASEDV d'Abracon (Figure 3). Ces familles d'oscillateurs SPXO couvrent différentes gammes de fréquences : de 1,25 mégahertz (MHz) à 100 MHz pour les dispositifs ASADV, et de 1 MHz à 160 MHz pour les dispositifs ASDDV et ASEDV. Ils sont conformes à RoHS/RoHS II et sont conditionnés dans des boîtiers à montage en surface (CMS) en céramique hermétiquement scellés. Leur stabilité de fréquence est de ±25 parties par million (ppm) sur leur plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C.

Figure 3 : Les oscillateurs SPXO des séries ASADV (illustrés), ASDDV et ASEDV sont conditionnés dans des boîtiers en céramique étanches et peuvent fonctionner de -40°C à +85°C. (Source de l'image : Abracon)

L'ASADV mesure 2,0 millimètres (mm) x 1,6 mm x 0,8 mm, l'ASDDV 2,5 mm x 2,0 mm x 0,95 mm et l'ASEDV 3,2 mm x 2,5 mm x 1,2 mm. Ces trois séries sont disponibles avec une variété de plages de températures de fonctionnement courantes, diverses options de stabilité et un format de sortie compatible CMOS/HCMOS/LVCMOS.

Il est important de noter que les familles ASADV, ASDDV et ASEDV sont optimisées pour un fonctionnement à faible courant (Figure 4). La fonction d'activation/de désactivation de la sortie réduit le courant à seulement 10 microampères (μA) lorsqu'elle est désactivée. Ces dispositifs affichent un temps de démarrage maximum de 10 millisecondes (ms).

Figure 4 : La consommation de courant de la série ASEDV en fonction de la tension d'alimentation est typique des performances de cette famille d'oscillateurs SPXO (mesurée à 25°C ±3°C). (Source de l'image : Abracon)

Les trois familles d'oscillateurs SPXO présentent une consommation de courant particulièrement faible. Pour la série ASADV, le courant maximum (mesuré dans une charge de 15 pF à 25°C) s'étend de 1,0 milliampère (mA) à 1,25 MHz et une tension d'alimentation de 1,8 V, à 14,5 mA à 81 MHz et une tension d'alimentation de 3,3 V. Pour les séries ASDDV et ASEDV, le courant maximum s'étend de 1,0 mA à 1 MHz et une tension d'alimentation de 1,8 V, à 19 mA à 157 MHz et une tension d'alimentation de 3,3 V.

Ces dispositifs peuvent entraîner de multiples charges et présentent de bonnes performances en matière d'interférences électromagnétiques (EMI), ainsi qu'une faible gigue. Ils sont conçus pour une gigue de phase efficace < 1,0 picoseconde (ps) et une gigue de période de 7,0 ps, maximum.

Les oscillateurs SPXO se caractérisent également par une bonne stabilité de fréquence sur toute la plage de températures de fonctionnement (Figure 5). Dans de nombreuses applications, ces oscillateurs peuvent être utilisés comme des solutions directes, nécessitant peu de travail de conception. Ils évitent également de devoir sélectionner un oscillateur en fonction de la polarisation et suppriment les variations de fréquence dépendant de la polarisation.

Figure 5 : Ces oscillateurs SPXO présentent une bonne stabilité de fréquence sur toute la plage de températures de fonctionnement. Ce graphique est typique de la famille ASEDV. (Source de l'image : Abracon)

Enfin, lorsque les chocs et les vibrations ne sont pas des facteurs critiques, les oscillateurs à quartz à tension continue CMS séries ASADV, ASDDV et ASEDV peuvent être utilisés pour fournir des alternatives moins coûteuses aux oscillateurs MEMS.

Conclusion

Les concepteurs ont besoin d'oscillateurs précis et fiables pour assurer une synchronisation stable dans de nombreuses applications et températures de fonctionnement. Les oscillateurs à quartz discrets peuvent répondre aux caractéristiques de performances requises, mais leur conception peut être techniquement difficile, longue, inutilement coûteuse et peu satisfaisante en termes de facteur de forme.

Comme indiqué, les concepteurs peuvent utiliser des oscillateurs SPXO intégrés basse consommation qui constituent des solutions de synchronisation directes, avec une bonne stabilité de fréquence sur une vaste plage de températures de fonctionnement. Grâce aux oscillateurs SPXO, les concepteurs peuvent réduire le nombre de composants, restreindre le format de la solution, diminuer les coûts d'assemblage et améliorer la fiabilité.

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