В рамках проектирования радиоэлектронных устройств ключевым аспектом является обеспечение стабильного тактирования цифровой логики и аналоговых схем. Параметр, определяющий степень отклонения частоты генератора от номинального значения в заданных условиях эксплуатации, принято называть стабильностью (или нестабильностью) частоты.
Определение и оценка стабильности частоты
Стабильность частоты характеризуется относительным изменением частоты y, определяемым по формуле:
где:
f – измеренное значение частоты;
f0 – номинальное значение частоты.
Значение "y" является безразмерным и выражается в ppm (parts per million, 10^-6) или ppb (parts per billion, 10^-9), определяющих относительное отклонение частоты от номинала.
Факторы, влияющие на стабильность частоты
На стабильность частоты тактового генератора оказывают влияние следующие факторы:
- Температура: изменение температуры окружающей среды приводит к изменению параметров кварцевого резонатора, что является основным источником нестабильности.
- Напряжение питания: колебания напряжения питания влияют на параметры активных элементов генератора, приводя к изменению частоты.
- Влажность: влияет на диэлектрическую проницаемость компонентов и, следовательно, на частоту генерации.
- Старение: деградация параметров компонентов (в первую очередь, кварцевого резонатора) со временем приводит к дрейфу частоты.
- Механические воздействия: вибрация, тряска, ударные нагрузки оказывают влияние на физические характеристики кварцевого резонатора и других компонентов, что приводит к изменению частоты.
- Радиация: влияние ионизирующего излучения на параметры полупроводниковых компонентов и кварцевого резонатора.
Классификация тактовых генераторов по стабильности частоты
В зависимости от требуемой стабильности частоты используются различные типы тактовых генераторов:
- SPXO (Simple Packaged Crystal Oscillator): простые кварцевые генераторы, характеризующиеся стабильностью в диапазоне 10…100 ppm.
- TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator): термокомпенсированные кварцевые генераторы, в которых используется схема компенсации температурного дрейфа частоты, обеспечивающие стабильность в диапазоне 0,5…10 ppm.
- OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator): термостатированные кварцевые генераторы, в которых кварцевый резонатор помещен в термостат, поддерживающий постоянную температуру, что обеспечивает высокую стабильность частоты в диапазоне 1…500 ppb.
Есть еще более стабильные генераторы, но на них мы останавливаться не будем.
Дополнительные характеристики тактовых генераторов
Помимо стабильности частоты, важными параметрами тактовых генераторов являются:
- Фазовый шум: спектральная плотность флуктуаций фазы сигнала, определяющая качество генерируемого сигнала.
- Джиттер: кратковременные отклонения момента времени перехода сигнала через заданный уровень.
- Кратковременная и долговременная стабильность: изменение параметров генератора в течение коротких (часы, сутки) и длительных (месяцы, год) промежутков времени.
- Устойчивость к механическим воздействиям: способность сохранять работоспособность и параметры при воздействии вибрации, тряски и ударных нагрузок.
Примеры тактовых генераторов
В качестве примера тактовых генераторов, обладающих хорошим соотношением цены и качества, можно привести термостатированные генераторы (OCXO) серии OPO. В частности, кварцевые генераторы OPO в корпусах DIP 25,4 x 25,4 мм и SMD 25,4 x 22,1 мм характеризуются следующими параметрами:
- Допуск частоты: 0,1 … 0,5 ppm
- Стабильность частоты (общая): 1…100 ppb
- Максимальное изменение стабильности частоты в год: ±1 ppm
Заключение
Выбор тактового генератора является ответственным этапом проектирования РЭУ. Необходимо учитывать требования к стабильности частоты, фазовому шуму, джиттеру и устойчивости к внешним воздействиям, а также стоимость и доступность компонентов. Анализ технических характеристик и проведение испытаний позволяют выбрать оптимальное решение для конкретного применения.
