Кварцевые генераторы и МЭМС-генераторы — два наиболее распространённых типа тактовых генераторов. Выбор того или иного генератора зависит от различных параметров, таких как стабильность, стоимость, энергопотребление и соответствие требованиям конкретного приложения.
В этой статье мы сравним МЭМС-генераторы и кварцевые генераторы, чтобы помочь вам решить, какой из них лучше всего подходит для ваших задач. Но прежде чем углубляться в различия между ними, давайте разберёмся в основах работы этих генераторов.
Что такое кварцевый генератор?
Кварцевые генераторы используют кварц для генерации стабильных и точных тактовых сигналов. В кварцевых генераторах частота определяется размером и формой кристалла. Это достигается путём точной резки, формовки и калибровки тонкого куска кварцевого кристалла. Они известны своей исключительной добротностью (Q), что означает, что они медленнее теряют энергию и могут поддерживать точную стабильность частоты в течение длительного времени. Благодаря высокой добротности (Q) они обеспечивают низкий уровень фазового шума и джиттера.
Существуют различные типы кварцевых генераторов, такие как стандартные кварцевые генераторы (XO), кварцевые генераторы с температурной компенсацией (TCXO), кварцевые генераторы с управлением напряжением (VCXO) и кварцевые генераторы с термостатированным управлением (OCXO). Каждый из них обладает различными характеристиками и предназначен для специализированных применений. Кварцевые генераторы нового поколения обладают расширенными функциями, такими как встроенная схема температурной компенсации, программируемая настройка частоты и низкое энергопотребление.
Они используются в широком спектре приложений, например, в системах связи, измерительных приборах, компьютерах, цифровых системах, медицинском оборудовании, автомобильной электронике и т. д.
Как работает кварцевый генератор?
На следующем рисунке показана структурная схема кварцевого генератора.
В схеме в качестве частотозадающего элемента используется кварцевый резонатор, а также компаратор, резисторы и конденсаторы. Генератор работает по принципу обратного пьезоэффекта. Пьезоэффект — это электромеханическое явление, при котором на противоположных концах кристалла при механическом давлении возникает разность потенциалов. В результате на кристалле генерируется переменное напряжение.
Обратный процесс используется в кварцевых генераторах. При подаче на кристалл переменного напряжения он меняет свою форму и начинает вибрировать или колебаться. Эти колебания происходят на собственной резонансной частоте кристалла, которая определяется его формой и размером.
Более высокое значение добротности позволяет кварцевому кристаллу поддерживать колебания дольше, однако они не могут резонировать бесконечно из-за потерь энергии, связанных с механическими колебаниями. Поэтому для поддержания непрерывных колебаний необходим усилитель. Усилитель усиливает колебания и подаёт их обратно в кристалл. Таким образом, формируется непрерывный тактовый сигнал.
Производители кварцевых генераторов
Производителями кварцевых генераторов являются Epson Toyocom, TXC Corporation, Wenzel Associates, Vectron International, Euroquartz, Murata Manufacturing Co. Ltd, NDK, Bliley Technologies, CTS Corporation, Citizen Watch Co. Ltd., NEL Frequency Controls Inc., Greenray Industries, Abracon и др.
Что такое МЭМС-генератор?
МЭМС- генераторы (микроэлектромеханические системы) основаны на технологии МЭМС нового поколения. Эти генераторы производятся с использованием технологии обработки кремниевых пластин, что обеспечивает их компактность и экономичность. Наиболее распространённые типы МЭМС-генераторов включают в себя генератор с температурной компенсацией (TCXO), генератор с расширенным спектром (SSXO), генератор с управлением напряжением (VCXO) и генератор с цифровым управлением (DCXO).
Главными преимуществами этих современных тактовых устройств являются их гибкость и программируемые функции синхронизации, которые повышают производительность системы. Программируемая архитектура позволяет настраивать их на любую выходную частоту, формат выходного сигнала и напряжение питания в широком диапазоне, что обеспечивает их готовность к работе на любой частоте. Кроме того, они оснащены настраиваемыми выходными драйверами с регулируемой мощностью для согласования импеданса и снижения уровня излучений.
Благодаря последним достижениям в области технологий современные МЭМС-генераторы обладают хорошей производительностью и надёжностью, иногда превосходящей кварцевые генераторы. Они обладают такими характеристиками, как устойчивость к помехам, низкий джиттер, надёжный запуск в сложных условиях и устойчивость к вибрации, что делает их идеальными для приложений с повышенными требованиями к питанию и ограниченным пространством. Некоторые МЭМС-устройства имеют дифференциальные выходы, которые минимизируют шум и повышают производительность при высокоскоростной передаче данных и операциях, критичных к синхронизации.
Как работает МЭМС-генератор?
На следующем рисунке показана структурная схема типичного МЭМС-генератора.
Обратите внимание, что разные генераторы имеют индивидуальную архитектуру, ориентированную на разные области применения. Как показано на рисунке выше, МЭМС-генератор сочетает в себе резонатор микроэлектромеханических систем с программируемой ИС генератора для генерации точных синхронизирующих сигналов. Резонатор изготовлен из монокристаллического кремния, который при электрическом возбуждении вибрирует с определённой частотой.
При подаче напряжения в резонаторе возникают колебания. Генерируемый резонатором сигнал слаб и требует усиления. Поддерживающая схема усиливает этот сигнал, который затем обрабатывается блоком фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с дробным коэффициентом деления (FRA), который умножает базовую частоту резонатора для достижения желаемого выходного сигнала.
МЭМС-генераторы также включают в себя преобразователь температуры в цифровой сигнал и схему температурной компенсации для поддержания стабильности частоты в широком диапазоне рабочих температур. Затем сигнал проходит дополнительную очистку с помощью делителей и драйверов для получения чистого и стабильного выходного тактового сигнала (CLK).
Однократно программируемая (OTP) память хранит параметры конфигурации генератора, такие как значения частоты и параметры температурной компенсации. Интерфейс ввода/вывода (I/O) позволяет пользователям управлять такими функциями, как включение и выключение выхода.
МЭМС-генератор обычно содержит 4 контакта:
- VDD: Типичное значение VDD (напряжения питания), подаваемого на МЭМС-генераторы, обычно находится в диапазоне от 1,8 В до 3,3 В постоянного тока в зависимости от конкретного МЭМС-устройства и его применения.
- GND: Это контакт заземления.
- CLK: Этот вывод является тактовым выходом MEMS-генератора.
- OE/ST: Это вывод разрешения/режима ожидания. Это активный вход высокого уровня (HIGH) для MEMS-генератора. Когда OE включён (логический уровень HIGH), выход CLK активен и обеспечивает тактовый сигнал. Когда OE отключён (логический уровень LOW), выход CLK отключается или переходит в состояние высокого импеданса (Hi-Z), в зависимости от конфигурации.
Производители МЭМС-генераторов
Производителями МЭМС-генераторов являются SiTime Corporation, Microchip technology, Abracon, IQD Frequency products, Daishinku DAISHINKU CORP, Vectron International, Rakon, TXC Corporation и др.
Сравнение кварцевого генератора с MEMS-генератором
Теперь, когда мы изучили основы этих двух технологий, давайте сравним их по некоторым важным параметрам:
Потребляемая мощность
Кварцевые генераторы потребляют меньше энергии благодаря простой схемотехнической структуре и наличию основной гармонической частоты. Традиционные МЭМС-генераторы потребляют больше энергии из-за сложной структуры и увеличенной схемотехники. Однако новейшие МЭМС-устройства, оптимизированные по энергопотреблению, потребляют меньше энергии по сравнению с традиционными кварцевыми генераторами. Их можно использовать даже в устройствах с батарейным питанием, носимых устройствах и устройствах Интернета вещей.
Запуск осциллятора
Генератор с быстрым запуском обеспечивает более короткие циклы пробуждения, что способствует увеличению срока службы батареи. Эта функция особенно ценна для бытовой электроники и систем домашней автоматизации, где системы часто включаются и выключаются для экономии энергии. Кварцевые генераторы достигают стабильной работы практически сразу после подачи питания. В отличие от них, МЭМС-генераторам требуется больше времени для стабилизации. Однако с современными МЭМС-устройствами эта проблема устранена, поскольку они обладают быстрым временем запуска.
Джиттер и фазовый шум
Джиттер и фазовый шум являются ключевыми факторами для оценки характеристик генератора. Джиттер — это временные колебания тактового сигнала, в то время как фазовый шум измеряет изменения фазы в частотной области. Это критические параметры, напрямую влияющие на стабильность частоты сигнала.
Кварцевые генераторы обеспечивают меньший фазовый шум и джиттер благодаря высокой добротности (Q). Ранние МЭМС-генераторы имели более высокий фазовый шум из-за низкой добротности кремниевого резонатора и сложной структуры. Однако новейшие МЭМС-генераторы продемонстрировали значительное улучшение характеристик фазового шума и джиттера. Некоторые из них даже обеспечивают сверхнизкий джиттер, что используется в требовательных приложениях, включая инфраструктуру сетей 5G, центры обработки данных, оптические модули и устройства Интернета вещей (IoT).
Стабильность частоты
Стабильность частоты — важнейшая характеристика генератора. Это способность обеспечивать постоянную выходную частоту при изменяющейся нагрузке. Обычно она выражается в миллионных (ppm) или миллиардных (ppb) частях.
Кварцевые генераторы обеспечивают исключительную стабильность частоты, демонстрируя минимальное отклонение с течением времени, в то время как некоторые МЭМС-генераторы демонстрируют заметные скачки частоты из-за ФАПЧ. Однако МЭМС-генераторы со схемой температурной компенсации обеспечивают выдающуюся стабильность частоты в зависимости от температуры. Их превосходная стабильность частоты и низкий джиттер особенно полезны в приложениях, требующих стабильной производительности и минимального искажения сигнала.
Сравнение по ключевым параметрам
| Характеристика | Кварцевый осциллятор | МЭМС-осциллятор |
|---|---|---|
| Стабильность частоты | Отличная, особенно у высококлассных версий (TCXO, OCXO). Базовые модели имеют стабильность ±10–100 ppm. | Хорошая до превосходной (у высококлассных Super-TCXO). Базовые модели могут иметь частотные скачки из-за дискретной компенсации ФАПЧ. |
| Энергопотребление | Как правило, значительно ниже из-за более простой схемы и высокого Q-фактора кварцевого резонатора. | Обычно выше из-за дополнительной цифровой схемотехники (ФАПЧ, температурная компенсация). Современные модели становятся все более энергоэффективными. |
| Стоимость | Ниже для стандартных, массовых частот. Высокая стоимость и длительные сроки изготовления для нестандартных частот. | Зачастую более экономичны в долгосрочной перспективе благодаря стандартному полупроводниковому производству и программируемости под любую частоту, что снижает затраты на инвентаризацию и разработку. |
| Устойчивость к внешним воздействиям | Чувствительны к ударам, вибрации и электромагнитным помехам (ЭМП) из-за механической хрупкости кристалла. | Отличаются высокой устойчивостью к ударам (до 50 000 g) и вибрации, а также лучшей ЭМС. |
| Размер | Могут быть крупнее, особенно для низких частот или высокостабильных типов (OCXO). | Очень компактные, могут быть интегрированы в чип, экономят место на печатной плате. |
Различия между МЭМС-генератором и кварцевым генератором
В следующей таблице обобщены различия между МЭМС-генератором и кварцевым генератором.
Кварцевые генераторы представляют собой простые конструкции на основе кварцевых кристаллов, но МЭМС-генераторы имеют сложную конструкцию, включающую резонаторы, схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и температурную компенсацию. Кроме того, кварцевые генераторы относительно больше по размеру по сравнению с компактными МЭМС-генераторами, а их принцип работы основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте, в то время как МЭМС-генераторы используют кремниевые резонаторы.
При сравнении стоимости кварцевые генераторы дороже благодаря прецизионному изготовлению кристаллов, в то время как МЭМС-генераторы экономичнее благодаря легко масштабируемому производственному процессу. Кварцевые генераторы обеспечивают фиксированную частоту, основанную на резонансе кристалла, тогда как МЭМС-генераторы обеспечивают гибкую настройку частоты. Частотозадающим элементом в кварцевых генераторах является кварцевый резонатор, в то время как МЭМС-генераторы используют фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ). Наконец, кварцевые генераторы более чувствительны к электромагнитным помехам, в то время как МЭМС-генераторы менее подвержены их влиянию.
У MEMS-генераторов и кварцевых генераторов есть свои преимущества и области применения. Выбор между ними зависит от конкретных требований приложения, таких как точность, размер, стабильность, энергопотребление и стоимость. Хотя традиционно кварцевые генераторы широко используются во многих приложениях, генераторы на основе MEMS становятся всё более популярными благодаря своей производительности, короткому времени изготовления, малому форм-фактору и программируемым функциям синхронизации. Сегодня MEMS-генераторы уверенно вытесняют кварцевые генераторы в электронных устройствах.
Чем кварцевые генераторы отличаются от резонаторов.
Существуют различные резонаторы, которые используются для множества приложений в области электроники. В этом списке резонаторов два основных материала — кварцевый кристалл и керамика (из них изготавливается керамический резонатор). Кварцевый кристалл используется в кварцевых генераторах , а керамика — в керамических резонаторах . Оба резонатора имеют одну и ту же цель — генерировать колебания заданной частоты путём вибрации при подаче входного напряжения. Однако у них есть и некоторые различия, которые и разделяют их, что обуславливает их различное применение.
Что такое кварцевый генератор?
Генератор — это схема, генерирующая частоту с помощью резонатора , и эта генерируемая частота называется частотой колебаний. Аналогично, кварцевый генератор — это электронная схема или устройство, используемое для генерации стабильной частоты с помощью кристалла вместо резонатора. При вибрации кристалл действует как резонатор, генерируя колебания частоты. Резонаторная схема использует кристалл для генерации колебаний, что и привело к названию « кристаллический генератор» . Символ и схема кварцевого генератора показаны ниже:
Узнайте больше о кварцевых кристаллах и кварцевых генераторах здесь.
Что такое керамический резонатор?
Подобно кварцевому генератору, керамический резонатор также представляет собой электронную схему или устройство, используемое для генерации выходного сигнала с заданной частотой с помощью керамики как резонирующего пьезоэлектрического материала. Керамический резонатор может иметь два или более электрода, которые при подключении к генераторному контуру вызывают механическую вибрацию, в результате чего генерируется колебательный сигнал заданной частоты. Схема резонатора аналогична схеме кварцевого генератора и выглядит следующим образом:
При работе резонатора механические колебания, обусловленные пьезоэлектрическим материалом (керамикой), создают колебательное напряжение, которое затем подается на электроды в качестве выходного сигнала. Обратный принцип используется в случае обратного пьезоэлектрического эффекта.
Кристаллический генератор против резонатора
Хотя оба они имеют одинаковую рабочую процедуру и генерируют частотные колебания в качестве выходного сигнала, у них есть некоторые различия в свойствах, из-за которых во многих случаях осциллятор заменяет резонатор, а именно:
- Диапазон частот . Кварцевый генератор имеет гораздо более высокую добротность, чем керамический резонатор, благодаря чему диапазон частот кварцевого генератора составляет 10 кГц – 100 МГц, в то время как диапазон частот керамического резонатора составляет 190 кГц – 50 МГц.
- Выходной сигнал — кварцевый генератор обеспечивает высокую стабильность частоты, а керамический резонатор также обеспечивает стабильность, не столь высокую по сравнению с кварцевым генератором. С точки зрения точности выходной частоты, кварцевый генератор обеспечивает гораздо более точный выходной сигнал, чем керамический резонатор, для которого такие параметры, как температура, являются чувствительным элементом. Точность генератора составляет 10–1000 ppm, а резонатора — 0,1–1%.
- Влияние параметров : для керамического резонатора толщина керамического материала определяет выходную резонансную частоту, в то время как для кварцевых генераторов резонансная частота зависит от размера, формы, эластичности и скорости звука в материале. Кварцевый генератор очень слабо зависит от температуры, то есть он очень стабилен даже при изменениях температуры, а керамический резонатор несколько сильнее зависит от температуры, чем кварцевый генератор. Для кварцевого генератора выходные характеристики зависят от формы колебаний и угла среза кристалла, в то время как для резонатора главное значение имеет толщина.
- Чувствительность и устойчивость к воздействию электромагнитных полей. Кварцевый генератор менее устойчив к ударам и вибрации, в то время как керамический резонатор обладает сравнительно высокой устойчивостью. Кварцевый генератор имеет низкую устойчивость к электростатическому разряду (ЭСР), в то время как керамический резонатор — высокую. Осцилляторы более чувствительны, чем резонаторы, и их чувствительность можно сравнить с чувствительностью к радиации. Кварцевый генератор имеет допуск частоты 0,001%, а PZT — 0,5%.
- Зависимость от конденсатора . Резонаторы могут иметь внутренние конденсаторы или иногда нуждаться во внешних, в то время как осциллятору нужны внешние конденсаторы, а их номинал зависит от того, для работы с каким кристаллом он предназначен.
- Используемый материал : кварцевый генератор изготовлен из кварца в качестве пьезоэлектрического резонатора, а керамические резонаторы — из титаната свинца-циркония (ЦТС), известного как высокостабильный пьезокерамический материал. Кварцевый генератор сложно изготовить, в то время как керамические резонаторы легко изготавливать.
- Применение – Керамические резонаторы используются в микропроцессорах, где стабильность частоты не важна, в то время как кварцевые генераторы можно найти везде, от телевизоров до детских игрушек с электрическими компонентами. Резонаторы хороши для низкоскоростной последовательной связи, в то время как кварцевые генераторы имеют частоты, доступные и для высокоскоростной последовательной связи. Резонаторы не имеют частот, доступных для высокоскоростной последовательной связи. Что касается приложений, основанных на часах, резонаторы не очень подходят для часов реального времени/хронометража/настенных часов, в то время как генераторы могут подойти для хронометража/часов реального времени/настенных часов при настройке с помощью переменного конденсатора. Ожидается, что дрейф частоты составит несколько минут в год без настройки.