По мнению представителей компании Golledge Electronics, в то время как качество поставляемой производителями полупроводниковых приборов документации постоянно улучшается, среди разработчиков продолжает господствовать тенденция к заимствованному проектированию, то есть, там где требуется более высокая тактовая частота, берётся просто более высокочастотный резонатор или генератор. Основным остаётся требование сверхминиатюризации, при этом почти не учитывается влияние на электрические характеристики кварцевых резонаторов. В данной статье мы приводим ряд наиболее часто задаваемых вопросов относительно их применения.

Резонаторы

    Bопрос: Только что полученные резонаторы не работают на нужной частоте. Может быть, точность установки частоты недостаточна?
    Ответ: Вполне возможно, но скорее всего, схема неправильно рассчитана и настроена. Если простая подстройка генератора не позволяет получить заявленную частоту, необходимо проверить, находятся ли фактические частоты в центре диапазона перестройки, обеспечиваемого подстроечным конденсатором (если таковой имеется). И если нет, то необходимо вернуть изделия производителю с целью уточнения условий эксплуатации и реальной ёмкости нагрузки, заставляющих генератор работать на нужных частотах. Если от схемы с последовательным резонансом требуется положительное смещение частоты, в при-ведённые характеристики должны быть включены зависимости частоты от ёмкостей фиксированного и подстраиваемого конденсатора, что сможет гарантировать работоспособность на нужных частотах.

    Вопрос: Что делать, если с вашими изделиями возникают проблемы, в то время как генераторы на базе изделий вашего конкурента работают исправно.
    Ответ: Для поставщика нет ничего худшего, чем признать несостоятельность своих изделий. В большинстве случаев проблема кроется в неправильном использовании устройств или в недостаточном описании технических условий, поэтому, если имеется хотя бы малейшее сомнение относительно использования того или иного резонатора в вашем генераторе, необходимо проконсультироваться с техническим специалистом, а не с менеджером, занимающимся исключительно продажами. Запомните, что характеристики резонаторов должны в точности соответствовать определённым техническим условиям. Отсутствие же проблем с изделиями других производителей говорит о том, что существует некий неучтённый в ваших спецификациях параметр, который резко влияет на работоспособность схемы в целом. Учтите также, что ваша схема или топология может работать на границе рабочих характеристик.

    Вопрос: Резонаторы, только что купленные и впаянные в схему, работают исправно, но после двух месяцев хранения их или смонтированных готовых изделий на складе они работать отказываются.
    Ответ: Начальное усиление петли обратной связи схемы невелико и не учитывает её пониженную возбудимость (более высокое эквивалентное сопротивление) до начала нормальной генерации. В этом случае, в первые дни такие генераторы работают лучше, а по прошествию некоторого времени с генераторами с малым усилением могут быть проблемы. Проверьте, чтобы остальные элементы схемы были выбраны правильно, а также чтобы не было большой паразитной ёмкости между входом и выходом микросхемы или параллельно резонатору. Наконец, проконсультируйтесь, как повысить коэффициент усиления вашей схемы.

    Вопрос: Разработанный генератор работает на частоте втрое меньшей, чем должен.
    ОТВЕТ: Возможно, вы заказали резонаторы для работы на третьей гармонике вместо фундаментальной. Если резонатор выбран правильно, то надо повысить избирательность схемы с целью обеспечения генерации на фундаментальной частоте. Убедитесь, что все конденсаторы схемы имеют правильные номиналы для работы на нужной частоте. Если они выбраны правильно, необходимо добавить резистор сопротивлением несколько кОм параллельно резонатору. Снижая это сопротивление, можно добиться подавления возбуждения на нежелательной частоте.

    Вопрос: Разработанный генератор работает на частоте намного большей, чем должен.
    Ответ: Если частота колебаний достаточно стабильная, то есть определяется резонатором, то, скорее всего, генератор работает на паразитной частоте, превышающей требуемую, или на кратной гармонике правильной частоты. В обоих случаях резонатор нуждается в большей развязке на верхних частотах от выхода усилителя. Если между этим выходом и резонатором отсутствует резистор, то его надо добавить, причём номинал выбрать в пределах 200 Ом и (или) немного увеличить ёмкость обоих конденсаторов.
    Если частота генерации неустойчива, то возбуждение может происходить через статическую ёмкость резонатора. Проверьте настройку всех LC-колебательных контуров, и убедитесь, что они правильно нагружены.

    Вопрос: После реализации рекомендованной КМОП-схемы с резонатором на 32,768 кГц с помощью перестраиваемого конденсатора не удалось добиться требуемой частоты генерации.
    Ответ: Если ёмкость калибровочной нагрузки резонатора выбрана правильно и паразитная ёмкость топологии невелика, то проблема кроется в низкой точности установки частоты. Миниатюрные резонаторы для наручных часов и некоторых других приложений имеют весьма узкий диапазон перестройки частоты, поэтому для них требуется более точный подбор по частоте. Наиболее распространённые в некритичных приложениях резонаторы с начальной точностью установки частоты более ±30 ppm здесь вряд ли подойдут.

    Вопрос: В процессе разработки выяснилось, что необходимо уменьшить габаритные размеры моего устройства, поэтому надо найти производителя миниатюрных резонаторов с характеристиками, сходными с теми, что используются сейчас. Что вы посоветуете?
    Ответ: Скорее всего, большинство параметров миниатюрных кристаллов будут несколько отличаться от тех, что вы сейчас используете, а значит, возможна ли будет замена на них без доработки принципиальной схемы, зависит от каждого конкретного приложения. Для большинства некритичных тактовых генераторов следует обратить внимание на такой параметр, как максимальное эквивалентное сопротивление, которое будет наверняка значительно большим, и потребуется проверка работоспособности резонатора в существующей схеме. Для того, чтобы смоделировать такой режим, необходимо снизить добротность имеющегося резонатора подключением параллельно к нему резистора (для большинства распространённых схем тактовых генераторов). Для других приложений, особенно тех, где частота генерации будет подстраиваться, все характеристики должны быть проверены более тщательно, а также рассмотрена возможность генерации высокочастотных паразитных продуктов преобразования.

    Вопрос: Я разрабатываю специализированные микросхемы для часов реального времени, и одним из главных требований является предельная минимизация потребляемой мощности. Какую частоту лучше выбрать?
    Ответ: Стандартным выбором для таких приложений будет резонатор с рабочей частотой 32,768 кГц, однако использование резонаторов с частотой 16,384 кГц может принести некоторый выигрыш в потреблении. Для одного и того же тока питания выходная проводимость генератора на биполярном транзисторе будет несколько большей, чем при использовании МОП-транзистора, но входной импеданс, скорее всего, будет слишком низок для использования со стандартными резонаторами с высоким сопротивлением в трёхточечной схеме. Поэтому здесь лучше применять пару транзисторов, включённых по схеме Дарлингтона.

Генераторы

    Вопрос: В разрабатываемой мной системе на частоте 50 МГц требуется коэффициент заполнения на уровне 45–55%. Возможно ли это гарантировать?
    Ответ: Как правило, нет. Коэффициент заполнения (величина обратная скважности) определяется, главным образом, симметрией транзисторов микросхемы, поэтому обеспечение величины этого параметра в пределах 45–55% потребует более тщательного подбора транзисторов, что отрицательно отразится на стоимости конечных изделий. При работе на более низких частотах в микросхему можно включить встроенный делитель частоты, который будет обеспечивать требуемую симметрию выходного колебания. В вашем случае проще всего использовать кварцевый генератор с частотой 100 МГц и внешний делитель частоты.

    Вопрос: На выходе моей схемы имеется “звон”, приводящий к неправильной работе триггеров.
    Ответ: Ваш генератор выполнен по ACMOS-технологии и обеспечивает очень крутые фронты импульсов. Причиной “звона” являются резонансные явления на паразитных колебательных контурах, образованных индуктивностью проводников и ёмкостью контактных площадок. Подавить эти явления можно последовательным включением резистора сопротивлением 20–50 Ом в непосредственной близости к выходу микросхемы.

    Вопрос: Объясните, в чём причина быстрого и чрезмерного нагревания моего генератора?
    Ответ: Вероятнее всего, ваш генератор перегружается. Из формулы I = C·dV/dT следует, что более быстродействующий генератор с более крутыми фронтами будет рассеивать большую мощность, если превышена его нагрузочная способность, или проводники на печатной плате по выходу микросхемы слишком длинные и имеют ветвления. Следует более тщательно проработать топологию печатной платы схемы, максимально сократить проводники и оптимизировать их ширину, что означает выполнить оптимальное согласование с каждой конкретной нагрузкой.

    Вопрос: Мне необходим управляемый генератор VCXO с возможностью перестройки частоты до 50 ppm. Правильно ли я поступил, заказав его с диапазоном подстройки ±50 ppm?
    Ответ: Да, но лучше всего более тщательно проверить предлагаемое вам устройство. Разные производители определяют диапазон подстройки кварцевых ГУН различными способами, причём некоторые из них заявляют этот диапазон только от центральной частоты в определённой температуре. Ясно, что такой генератор не подойдёт для вашего приложения, потому что, например, если середина частоты определяется с точностью 20 ppm, а температурная стабильность частоты составляет ±30 ppm в диапазоне рабочих температур, то регулируемость в пределах ±50 ppm будет компенсировать только собственные нестабильно-сти, а ведь мы не учли уходы частоты за счёт старения и нестабильности управляющего напряжения.
    Каждый из этих параметров должен быть проверен совместно с поставщиком VCXO, если его заявления о диапазоне регулируемости есть нечто большее, чем просто констатация абсолютных пределов изменения управляющего натяжения, а минимальный диапазон подстройки частоты дан с учётом всех нестабильностей. Помните также, что широкий диапазон управляющего напряжения VCXO может отрицательно сказаться на его температурной и кратковременной нестабильности (фазовых шумах).

    Вопрос: Из документации на ваше изделие Micro-TCXO следует, что его температурная стабильность частоты составляет ±0,5 ppm в диапазоне температур от -20 до 70°C. Мне необходимы генераторы со стабильностью ±1 ppm в диапазоне от -40 до 85°C. Могу ли я использовать ваши устройства?
    Ответ: На первый взгляд, расширение температурного диапазона примерно на 40% повлечёт за собой уд-военное увеличение суммарной нестабильности частоты. Однако, следует учитывать, что внутри термокомпенсированного кварцевого генератора TCXO содержится специальная схема, компенсирующая зависимость частоты генерации от температуры и оптимизированная только для указанного диапазона температур. На практике, незначительный выход за эти пределы может повлечь резкое и непропорциональное увеличение нестабильности частоты генерации относительно заявленной.

    Вопрос: У используемого мной генератора выходная мощность составляет приблизительно +7 дБм, но возникает проблема подавления этого сигнала на выходе промежуточной частоты смесителя.
    Ответ: Хотя в документации на многие генераторы выходная мощность заявлена как +7 дБм на нагрузке 50 Ом, на самом деле она может составлять другую величину, так как выходное сопротивление генераторов может отличаться от 50 Ом. В зависимости от степени согласования выхода с трактом, уровень мощности может достигать +13 дБм, поэтому потребуется поставить на гетеродинный вход смесителя фиксированный аттенюатор с ослаблением 6 дБ.

    Вопрос: Кварцевый ГУН на 77,76 МГц, используемый в моём проекте, имеет высокие фазовые шумы. В чём дело, и какая возможна альтернатива?
    Ответ: Для кварцевых ГУН (VCXO), работающих на частотах выше 40 МГц, нормальным считается взять генератор с частотой втрое меньшей, чем требуемая, а затем использовать умножение частоты или схему ФАПЧ. Оба этих подхода влекут за собой рост уровня фазовых шумов, пропорциональный квадрату коэффициента умножения частоты. Кроме того, имеется добавка шумов от собственных второй и третьей гармоник задающего генератора. В схеме с ФАПЧ фазовые шумы ГУН не могут быть снижены, если они находятся за пределами полосы пропускания её фильтра. В настоящее время имеются специальные малошумящие высокочастотные кварцевые ГУН, но они стоят значительно дороже своих стандартных собратьев вследствие использования более дорогой и сложной технологии производства.

CIE, октябрь 1999 г.