Egy rezgő kvarckristály egyenértékű áramköri diagramja

A kvarcoszcillátorok rendkívül stabil órajeleket generálnak, amelyekre szinte minden elektronikus rendszerben szükség van - az egyszerű mikrokontroller-áramköröktől a nagy sebességű adatátviteli rendszerekig.

Az oszcillátor kimeneti jelének meg kell felelnie a következő logikai családnak vagy interfésznek. Az évtizedek során különböző kimeneti szabványok alakultak ki, amelyek mindegyike a kor és az alkalmazás követelményeihez igazodik.

Ez a dokumentum átfogó áttekintést nyújt a kristályoszcillátorok hét leggyakoribb kimeneti jeltípusáról: CMOS, TTL, Clipped Sine Wave, Sine Wave, LVPECL, LVDS és HCSL.

Minden típus esetében ismerteti a történeti fejlődést, az elektromos tulajdonságokat, a tipikus jelformát és a preferált alkalmazási területeket.

A kimeneti jeltípusok fejlődése szorosan összefügg a félvezető technológia fejlődésével, valamint az órajelek frekvenciájával és a jelintegritással szemben támasztott növekvő követelményekkel:

2.1 TTL (tranzisztoros-tranzisztoros logika) - 1964 körül kezdődött

A TTL volt az egyik első széles körben használt digitális logikai szabvány, amelyet a Texas Instruments vezetett be a 7400-as sorozatban. A TTL kimenettel rendelkező oszcillátorok 5 V-os tápfeszültséggel működnek, és a TTL kapukkal közvetlenül kompatibilis szinttartományokat biztosítanak. A szabvány évtizedekig jellemezte a digitális elektronikát, és egészen az 1990-es évekig az uralkodó logikai szabvány volt.

2.2 CMOS (komplementer fém-oxid félvezető) - 1968 körül kezdődött.

A CMOS-technológiát eredetileg az RCA fejlesztette ki, és rendkívül alacsony nyugalmi áramfelvétel jellemzi. A CMOS-oszcillátorok síntől sínig terjedő kimeneti jeleket biztosítanak, azaz a kimenet szinte 0 V és VCC között oszcillál. A miniatürizálás előrehaladtával és az alacsonyabb tápfeszültségek (3,3 V, 2,5 V, 1,8 V) felé mutató tendenciával a CMOS vált a kristályoszcillátorok legszélesebb körben használt kimeneti szabványává.

2.3 Szinuszhullám - az oszcillátortechnológia kezdete óta

A szinuszos kimeneti jelek egyidősek magával az oszcillátortechnikával. A kvarcoszcillátorok fizikailag szinuszosan rezegnek; minden más jelformát csak a következő áramkörök generálnak. A szinuszos kimeneti jeleket előszeretettel használják a nagyfrekvenciás technológiában, a mérőeszközökben és az analóg jelfeldolgozásban, mivel nem generálnak felharmonikusokat.

2.4 Csupaszított szinuszhullám - az 1970-es évek környékéről

A levágott szinuszhullám kimenet a szinuszhullám és a négyszöghullám kimenet közötti kompromisszum. A szinuszos jelet a csúcsoknál korlátozzák (levágják), ami meredekebb éleket eredményez, mint a tiszta szinuszos jelnél, de kevesebb felharmonikust, mint a négyszögletes jelnél. Ezt a fajta kimenetet különösen a távközlésben és a régebbi nagyfrekvenciás alkalmazásokban használták. Ma is főleg TCXO-kban használják a szinuszos hullámmal vágott IC-ket. Ezzel a technológiával lényegesen energiatakarékosabb TCXO-kat lehet építeni, mint a CMOS technológiával. A CSW TCXO-kat ezért referenciaként használják navigációs eszközökben, segélyhívó rendszerekben és kapukban. Bárhol, ahol jel hatótávolságra (rádió) és nagy pontosságú helymeghatározásra van szükség.

2.5 LVPECL (Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic) - az 1990-es évektől kezdve.

A hálózati és távközlési rendszerekben az egyre magasabb órajelfrekvenciák iránti igény miatt az LVPECL gyors differenciális kimeneti logikaként jelent meg. Az LVPECL a klasszikus ECL-technológián (emitter-kapcsolt logika) alapul, amelyet még az 1960-as években fejlesztettek ki nagy sebességű alkalmazásokhoz, és alacsonyabb tápfeszültséghez (-5,2 V helyett 3,3 V) igazítja. Az LVPECL rendkívül rövid kapcsolási időt kínál, és jóval 1 GHz feletti frekvenciákhoz is alkalmas.

2.6 LVDS (Low-Voltage Differential Signalling - alacsony feszültségű differenciális jelzés) - 1994-től

Az LVDS 1994-ben ANSI/TIA/EIA-644 szabványként került bevezetésre, és a differenciális jelátvitelt optimalizálja az alacsony energiafogyasztás és a nagy adatátviteli sebesség érdekében. A mindössze 350 mV-os alacsony differenciális feszültségingadozás gyors kapcsolási műveleteket tesz lehetővé minimális elektromágneses sugárzás mellett. Az LVDS-t ma széles körben használják a kijelző interfészek, a soros adatkapcsolatok és az FPGA-blokkolás területén.

2.7 HCSL (High-Speed Current Steering Logic) - 2002 körülről

A HCSL-t kifejezetten a PCI Express szabványhoz fejlesztették ki, és az első PCIe-generáció óta a referencia-órajel-szabvány. A PCI-SIG a HCSL-t egy árammódon alapuló, nagyon alacsony feszültségingadozású differenciáljelként specifikálta, amelyet a PCIe-rendszerek 100 MHz-es referenciaórajeléhez optimalizáltak. A HCSL ma már nélkülözhetetlen minden PC-ben, szerverben és beágyazott rendszerben, amely PCIe interfésszel rendelkezik.

A következő ábrák a hét kimeneti típus idealizált jelkarakterisztikáját mutatják. Figyelje meg a különböző feszültségtartományokat és rezgéseltéréseket - ezek a későbbi vevőkészülékekkel való kompatibilitás szempontjából kulcsfontosságúak.

3.1 CMOS

A CMOS jelet a GND és VCC közötti teljes feszültségingadozás jellemzi. A bemeneti küszöbértékek VIL és VIH jellemzően a VCC 30 %-a, illetve 70 %-a, ami széles jel-zaj arányt biztosít. A szimmetrikus kimeneti meghajtó struktúrák (P-csatornás/N-csatornás MOSFET) közel azonos felfutási és lecsengési időket tesznek lehetővé.

3.3 Levágott szinuszhullám

A CMOS kimenettel ellentétben a TTL nem éri el a sín-sín szinteket. A magas szint (VOH) jellemzően 3,4 V (minimum 2,4 V), az alacsony szint (VOL) pedig maximum 0,4 V. Az aszimmetrikus küszöbértékek (VIL = 0,8 V, VIH = 2,0 V) a bipoláris tranzisztor architektúrából adódnak. A 0,8 V és 2,0 V közötti úgynevezett "tiltott tartományt" statikus üzemben nem szabad feltételezni.

3.3 Levágott szinuszhullám

A szinuszos kimenettel a kvarcrezonátor természetes szinuszos jelét meghatározott küszöbértékeknél korlátozzák. A szaggatott vonal a le nem vágott szinuszhullámot mutatja. A vágás meredekebb nullpontátmeneteket eredményez, mint a tiszta szinuszhullám esetében, ami megkönnyíti a későbbi logikai vezérlést, miközben a harmonikus tartalom mérsékelt marad.

3.4 Szinuszhullám

A szinuszos kimenet az összes kimeneti forma közül a legtisztább spektrumot biztosítja: ideális esetben csak egyetlen spektrális vonal van az alapfrekvencián. Az amplitúdó csúcsértéktől csúcsértékig feszültségként (Vpp) vagy teljesítményként dBm-ben megadható. A tipikus értékek 0,5 és 1,0 Vpp vagy 0 és +13 dBm között vannak 50 Ω-os rendszerekben.

3.5 LVPECL

Az LVPECL differenciális jelvezetést alkalmaz: két komplementer kimenet (Q és Q̅) ellenfázisban rezeg egy közös közös módusú szint (VCM) körül, amely jellemzően VCC-1,3 V. A differenciális feszültségingadozás kb. 800 mV. Az áramforrás-architektúra rendkívül gyors kapcsolási időt tesz lehetővé minimális túlhajtással.

3.6 LVDS

Az LVDS-t különösen alacsony, mindössze 350 mV-os differenciális feszültségingadozás jellemzi. A közös módusú szint 1,25 V. Az áramvezérelt meghajtó (jellemzően 3,5 mA) és a 100 Ω zárás biztosítja a magas jelintegritást minimális energiafogyasztás mellett. Az alacsony amplitúdó minimalizálja az elektromágneses sugárzást.

3.7 HCSL

A HCSL nagyon alacsony feszültségingadozással működik: a VOH jellemzően 0,74 V, a VOL pedig 0,17 V, ami kb. 0,45 V közös módusú szintet eredményez. Az áramvezérlő architektúrát kifejezetten a PCIe specifikáció követelményeihez optimalizálták, és a földhöz való 50 Ω-os csatlakozásokon keresztül pontos impedanciaillesztést tesz lehetővé.

A következő táblázat összefoglalja mind a hét kimenettípus főbb tulajdonságait:

5.1 Egyvégű vs. differenciális

A kimeneti típusok közötti legalapvetőbb különbség a jel útvonalvezetése. A CMOS, a TTL, a levágott szinuszhullám és a szinuszhullám egyvégű jelek - egy közös földre hivatkoznak. Az LVPECL, LVDS és HCSL ezzel szemben differenciális jelek, két komplementer vonallal. A differenciális jelek magasabb frekvenciákon döntő előnyöket kínálnak: elnyomják a közös módusú interferenciát, kisebb feszültségeltéréseket tesznek lehetővé, és így gyorsabb kapcsolási időket tesznek lehetővé kisebb elektromágneses sugárzás mellett.

5.2 Feszültségingadozás és jel-zaj arány

A síntől sínig kimenetével a CMOS kínálja a legnagyobb abszolút feszültségingadozást és ezért a legjobb statikus jel-zaj arányt. A TTL az aszimmetrikus szintek miatt korlátozottabb jel-zaj aránnyal rendelkezik. A differenciális szabványok (LVPECL, LVDS, HCSL) a kisebb feszültségeltéréseket a differenciális átvitel közös módusú elutasításával kompenzálják, ami azt jelenti, hogy gyakran megbízhatóbban működnek zavart környezetben, mint az egyvégű jelek.

5.3 Teljesítményfogyasztás

A CMOS-oszcillátorok statikus állapotban szinte egyáltalán nem fogyasztanak áramot; a fogyasztás a frekvenciával arányosan nő (dinamikus disszipáció). A TTL a bipoláris architektúra miatt állandóan magasabb nyugalmi áramfelvétellel rendelkezik. Az LVPECL külső záróellenállásokat igényel, és a differenciális szabványok közül a legnagyobb áramfelvétellel rendelkezik. Az LVDS az alacsony áramfelvételéről ismert (jellemzően 3,5 mA meghajtóáram). A HCSL az LVDS és az LVPECL között helyezkedik el az energiafogyasztás tekintetében.

5.4 Frekvenciatartomány és fő alkalmazások

Kb. 200 MHz-es frekvenciáig a CMOS-oszcillátorok a legtöbb esetben az első választásnak számítanak sokoldalúságuk, egyszerű áramköri kialakításuk és széles körű elérhetőségük miatt. Körülbelül 200 MHz-től kezdve a differenciális kimenetek használata ajánlott. Az LVPECL kínálja a legmagasabb frekvenciákat (>3 GHz), és a hálózati és távközlési berendezésekben használják. Az LVDS széles középtartományt fed le, és különösen az FPGA- és kijelzőalkalmazásokban gyakori. A HCSL-t a hiánypótló alkalmazására optimalizálták: a PCI Express 100 MHz-es referenciaórajelére.

5.5 A lezárás és az áramkörök bonyolultsága

A CMOS és TTL kimenetek általában nem igényelnek külső terminálozást rövid kábelhosszúságok esetén - ez különösen egyszerűvé teszi használatukat. Az LVPECL kötelező külső lezáró ellenállásokat igényel (jellemzően: Thevenin lezárás a VCC-2 V-ra vagy ellenállások a földre), ami növeli az áramkör bonyolultságát. Az LVDS szabványosan 100 Ω differenciálellenállással van lezárva a vevőnél. A HCSL 50 Ω-os ellenállásokat használ a földeléshez minden kimenetnél.

6.1 Mit jelentenek a túllövések?

A túl- és alulcsúszás olyan rövid távú feszültségcsúcsok, amelyek gyors kapcsolási műveletek során jelentkeznek. Egy emelkedő él esetén a feszültség rövid időre VCC fölé lő (overshoot), egy csökkenő él esetén rövid időre GND alá (undershoot). Ezt gyakran csillapított oszcillációk követik, amelyeket "csengésnek" neveznek.

Az ok a kimeneti vezérlő nagyon meredek kapcsolási éleinek, valamint a vezetőpálya, a ház és a terhelés kapacitásának parazita induktivitásainak és kapacitásainak kombinációjában rejlik. Fizikai szempontból a vezeték induktivitásából és a vevő bemeneti kapacitásából egy rezonáns áramkör jön létre. Minél meredekebb a kapcsolási él és minél hosszabb a vezetőpálya, annál kifejezettebb a túlhajtás.

6.4 Túllövés egyvégű jelekkel

CMOS: Leginkább érintett. A szimmetrikus P/N-csatornás MOSFET-meghajtók nagyon meredek éleket generálnak, amelyek a vezeték induktivitásaival együtt kifejezett túllövéseket okoznak. Különösen a modern, alacsony feszültségű CMOS-oszcillátoroknál (1,8 V) a tápfeszültséghez viszonyított túlcsúszások jelentősek lehetnek.

TTL: Szintén érzékeny, de kissé más okok miatt. Az aszimmetrikus totem-pólusú kimeneti fokozat rövid áramcsúcsot generál az emelkedő élen, ha mindkét tranzisztor egyszerre vezet (keresztvezetés). A modern CMOS-okhoz képest jellemzően valamivel lassabb élek némileg enyhítik a problémát.

Clipped Sine Wave: Jelentősen kevésbé érzékeny. A korlátozott amplitúdójú csúcsok és a viszonylag lágy élek miatt lényegesen kevesebb a magas frekvenciájú energia, amely visszaverődéseket és csengést okozhat. A vágás természetes amplitúdóhatárolóként működik, amely elnyomja a jel túllövéseit.

Szinuszhullám: Gyakorlatilag immunis a klasszikus túllövésekre. Mivel a jel nem tartalmaz hirtelen élátmeneteket, nem keletkezik olyan szélessávú energiaimpulzus, amely gerjeszthetné a vezeték rezonanciáit. Az impedancia-eltérések azonban állóhullámokat és visszaverődéseket okozhatnak, amelyek bizonyos pontokon megváltoztatják a jel amplitúdóját. Ezt a klasszikus RF-terminálással (50 Ω vagy 75 Ω terminálás) lehet szabályozni.

6.5 Túllövések differenciális jelekkel

LVPECL: Az áramforrás kimeneti fokozatnak köszönhetően eleve jól elnyomott. Az áramszabályozás természetesen korlátozza a maximális élmeredekséget. Azonban még mindig előfordulhatnak visszaverődések, ha a lezárás nem megfelelő, mivel az LVPECL nagyon magas frekvenciákon működik. A megfelelő thevenin vagy emitterkövető áramkör itt döntő fontosságú - nem elsősorban a túllövések miatt, hanem a helyes működési pont biztosítása és a reflexiók elkerülése érdekében.

LVDS: Tervezésénél fogva nagyon robusztus. Az áramvezérelt meghajtó állandó, jellemzően 3,5 mA-es áramot szolgáltat a 100 Ω-os differenciálzáráshoz, ami fizikailag korlátozza a feszültségingadozást. Még impedancia-szakadások esetén is kis mértékűek maradnak a reflexiók, mivel a mindössze 350 mV-os alacsony feszültségingadozás kevés energiát biztosít a zavaráshoz. Az LVDS az egyik legkedvezőbb szabvány a jelintegritás szempontjából.

HCSL: Az áramalapú architektúra miatt az LVDS-hez hasonlóan viselkedik. A nagyon alacsony feszültségingadozás és a földre való 50 Ω-os lezárás biztosítja a tiszta impedanciaillesztést. A PCIe specifikációban a megengedett túllövések kifejezetten meg vannak határozva és szorosan tolerálva, így a HCSL-kompatibilis oszcillátorok már alapértelmezésben is megfelelnek ezeknek a követelményeknek.

6.6 Ellenintézkedések a túllengések ellenőrzésére

Az egyvégű jelek (különösen a CMOS és a TTL) esetében a leghatékonyabb intézkedés egy soros ellenállás közvetlenül az oszcillátor kimenetén, jellemzően 22 és 47 Ω közötti tartományban. Ez az ellenállás a vezeték impedanciájával együtt egy feszültségosztót képez, amely csillapítja az éleket és elnyeli a visszaverődéseket. Az optimális érték a vonalimpedancia és a meghajtó kimeneti impedanciája közötti különbségből adódik.

Ezen kívül a rövid, impedanciavezérelt nyomvonalak, az órajelen lévő átvezetések minimalizálása, a jelvezeték alatti folytonos alaplap és az oszcillátor közelében lévő megfelelő mértékű leválasztó kondenzátorok (jellemzően 100 nF kerámia plusz 10 µF) is segítenek. Néhány CMOS-oszcillátorgyártó ellenőrzött élmeredekséggel (slew rate control) ellátott modelleket is kínál, amelyek már a meghajtóban enyhítik a problémát.

Differenciális jelek (LVPECL, LVDS, HCSL) esetén a specifikációnak megfelelő helyes lezárás a legfontosabb intézkedés. Ezenkívül egy differenciálpár két vonalát mindig azonos hosszúsággal és szoros csatolással kell vezetni a ferdeség (futási időkülönbség) minimalizálása és a közös módusú jelek elutasításának fenntartása érdekében.

A megfelelő kimeneti típus kiválasztása négy fő tényezőtől függ: a szükséges órajelfrekvenciától, a vevő logikai családjától, a rendelkezésre álló teljesítménykerettől és a jelintegritási követelményektől.