Cómo seleccionar y aplicar efectivamente un oscilador

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La llegada de los sistemas digitales sincrónicos convirtió al humilde oscilador en el corazón de los modernos sistemas digitales basados en microprocesadores. Sus miles de aplicaciones han fomentado una gama extremadamente amplia de fuentes y configuraciones de osciladores con múltiples estructuras de resonador.

Sin embargo, a la elección de un oscilador a menudo se le presta poca atención sin comprender bien su uso debido a una variedad de resonadores, muchos amplificadores internos diferentes y varios esquemas diferentes de estabilización de la temperatura. Todo esto afecta el tamaño, la precisión, la estabilidad y el costo del dispositivo, así como la forma en que deben aplicarse en un diseño.

Este artículo ayudará a los diseñadores a comprender mejor el funcionamiento y la estructura de los osciladores, así como sus especificaciones críticas y cómo se ajustan a los requisitos del diseño.

En el proceso, investigará la forma de onda de salida, la precisión y la estabilidad de la frecuencia, el ruido de fase, la variación de la temperatura y la carga, y el costo, junto con la mejor forma de aplicar los osciladores para el éxito del diseño.

Conceptos básicos del oscilador

Los osciladores son circuitos electrónicos que generan formas de onda periódicas a una frecuencia deseada. Un diagrama de bloques funcional de un oscilador genérico contiene un amplificador y una ruta de retroalimentación con una red de retroalimentación selectiva de frecuencia (Figura 1). La oscilación se puede iniciar y mantener si la ganancia de bucle es igual o mayor que la unidad a la frecuencia de oscilación deseada, mientras que al mismo tiempo el desplazamiento de fase sobre el bucle es igual a un múltiplo de 2 pi radianes. Esta es una condición de retroalimentación positiva.

La red dependiente de la frecuencia puede ser una red inductor-condensador (LC) o resistencia-condensador (RC), pero los osciladores de precisión generalmente emplean un resonador. La elección del tipo de resonador es una de las especificaciones a tratar, ya que cada uno tiene sus propias fortalezas y debilidades.

Diagrama funcional de un oscilador básico

Figura 1: Diagrama funcional de un oscilador básico que consiste en un amplificador con una red selectiva de frecuencia o resonador en una configuración de retroalimentación positiva. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Los resonadores comúnmente empleados son el cristal de cuarzo, los filtros de onda acústica de superficie (SAW) o los sistemas microelectromecánicos (MEMS).

Cuando un oscilador como este se enciende por primera vez, la única señal en el circuito es el ruido. El elemento de ruido a una frecuencia que satisface los estados de ganancia y fase para la oscilación circula alrededor del bucle del circuito con una amplitud creciente debido a la retroalimentación positiva del circuito. La amplitud de la señal aumenta hasta que está limitada por las características del amplificador o por una unidad externa de control de ganancia automático (AGC). La forma de onda de la salida del oscilador puede controlarse en este punto, y las opciones comunes de forma de onda son sinusoidal, sinusoidal recortada o salidas lógicas ("0" o "1"). Si se eligen salidas lógicas, también se debe seleccionar una familia lógica (HCMOS, TTL, ECL, LVDS, etc.).

Las salidas sinusoidales se utilizan principalmente en la portadora y en la generación de la señal del oscilador local en aplicaciones relacionadas con las comunicaciones donde la pureza espectral es una preocupación clave. La forma de onda sinusoidal tiene una potencia significativa solo en la frecuencia fundamental y poca o ninguna potencia en las frecuencias armónicas.

La especificación clave para los osciladores es la estabilidad de frecuencia que define qué tan bien el oscilador mantiene su frecuencia. Una especificación relacionada está envejeciendo, que especifica la deriva en la frecuencia del oscilador durante un largo intervalo, generalmente un año. A medida que aumenta la velocidad de las aplicaciones, la variación a corto plazo en la fase del oscilador se convierte en un tema importante. Esta variación a corto plazo en la fase se describe como el ruido de fase del oscilador. El ruido de fase es una especificación de dominio de frecuencia. La especificación de dominio de tiempo equivalente es fluctuación de fase o error de intervalo de tiempo.

Resonadores

La red de retroalimentación en el oscilador básico puede ser cualquiera de varias estructuras resonantes. La más común es el cristal de cuarzo. Los resonadores de cristal de cuarzo utilizan el efecto piezoeléctrico. Un pequeño voltaje aplicado a través de un cristal hace que se deforme, y una fuerza aplicada al cristal produce una carga eléctrica. Esta serie de intercambio electromecánico constituye la base de un oscilador muy estable. Este efecto produce oscilaciones en frecuencias específicas relacionadas con el tipo de cristal, la orientación geométrica en la que se corta el cristal y sus dimensiones.

Los cristales se mantienen entre dos electrodos que forman la entrada y la salida del resonador de cristal. En estas condiciones, el cristal actúa como un circuito LC altamente selectivo (Figura 2). Observe que el cristal en su soporte está representado por un circuito RLC en serie, que representa su frecuencia resonante en serie dominada por los componentes del modelo LS y CS. El condensador conectado en paralelo representa la capacitancia del soporte y el cableado asociado. La capacitancia en paralelo CP reacciona con la inductancia en serie LS, lo que da como resultado una frecuencia resonante en paralelo. En funcionamiento, la resonancia en serie domina el funcionamiento del resonador. Las frecuencias fundamentales de los cristales van desde el kilohercio (kHz) hasta unos 200 megahercios (MHz).

Diagrama del modelo de circuito equivalente para un cristal de cuarzo

Figura 2: Es el modelo de circuito equivalente para un cristal de cuarzo. Los componentes del modelo LS y CS determinan la frecuencia de resonancia en serie, mientras que LS, CS y CP determinan la resonancia en paralelo. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Otro resonador común es el dispositivo de onda acústica de superficie (SAW) (Figura 3).

Diagrama del filtro/resonador SAW que utiliza transductores interdigitales

Figura 3: Un filtro/resonador SAW utiliza transductores interdigitales montados en un sustrato piezoeléctrico para generar ondas acústicas de superficie a través de la brecha entre los transductores, lo que produce una respuesta dependiente de la frecuencia en la salida. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El filtro SAW es un dispositivo de selección de frecuencia que utiliza una onda acústica de superficie propagada a lo largo de la superficie de un sustrato elástico. Las ondas acústicas superficiales (SAW) se generan y detectan utilizando transductores interdigitales (IDT) formados por caminos conductores en el sustrato, como se muestra en la figura. Los filtros/resonadores SAW operan con un rango de frecuencia de 10 megahercios (MHz) a 2 gigahercios (GHz). La frecuencia depende de la dimensión de los elementos IDT y las características del material del sustrato. Los modelos de circuito para un dispositivo SAW son como los de un cristal de cuarzo. Los resonadores SAW se pueden fabricar económicamente con fotolitografía en paquetes pequeños a bajo costo. Estos osciladores se conocen como osciladores SAW o SO.

La tecnología de resonador final que se tratará en este artículo se basa en sistemas microelectromecánicos (MEMS). Los MEMS utilizan procesos estándar de fabricación de semiconductores para producir elementos mecánicos en miniatura. Los tamaños de estos dispositivos pueden variar de micras a milímetros. Los resonadores que son similares a los diapasones de alta frecuencia están diseñados para vibrar bajo excitación electrostática. Estas estructuras de molde de resonadores se combinan con un CI programable de oscilador/controlador (Figura 4).

Diagrama del módulo oscilador MEMS

Figura 4: Un módulo de oscilador MEMS combina una estructura mecánica MEMS con un CI de oscilador/controlador en un solo paquete. (Fuente de la imagen: SiTime)

El oscilador/controlador excita la estructura MEMS y alimenta su salida a un circuito de sincronización de fase (PLL) de número fraccional que multiplica la frecuencia de salida del dispositivo MEMS por un factor programable 'N'. La memoria programable de un solo uso (OTP) almacena los parámetros de configuración del módulo. La compensación de temperatura se logra ajustando la frecuencia de salida dentro del PLL. El PLL también se puede programar, lo que da al oscilador una salida de frecuencia controlada digitalmente.

La mayor ventaja del oscilador MEMS es su inmunidad a golpes y vibraciones mecánicas. Este es un factor importante en aplicaciones móviles como teléfonos celulares, cámaras y relojes.

Tipos de circuito de osciladores

La topología de circuitos de los osciladores modulares se ha estado desarrollando durante muchas décadas y actualmente hay muchas tecnologías disponibles. En casi todos los casos, se han realizado mejoras en el circuito para mejorar la precisión y la estabilidad de la frecuencia de salida del oscilador. Los ejemplos vistos en el párrafo anterior incluyen los osciladores SAW y MEMS no basados en cuarzo. Las técnicas aplicadas a los osciladores de cuarzo también se pueden aplicar a cualquier tipo de oscilador. Todos estos osciladores están clasificados para operar en una capacitancia de carga de 15 picofaradios (pF). Las variaciones en la capacitancia de carga afectan la frecuencia de operación.

La base de comparación para estas topologías es el oscilador de cristal de cuarzo (XO) (Figura 5). Este ejemplo se implementa al utilizar puertas lógicas e incluye un diodo varactor para permitir el ajuste. Estos osciladores simples muestran una estabilidad de frecuencia del orden de 20 a 100 partes por millón (ppm).

Diagrama del oscilador de cristal básico implementado al utilizar inversores lógicos

Figura 5: Un oscilador de cristal básico implementado al utilizar inversores lógicos incluye una disposición para el control de voltaje a través de un diodo varactor en serie con el cristal de cuarzo. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El ASV-10.000MHZ-LCS-T de Abracon es un oscilador de reloj de cristal de montaje en superficie. Dispone de una salida digital con nivel lógico HCMOS. Los osciladores de este tipo tienen la principal ventaja del bajo costo. Su estabilidad de frecuencia es de ±50 ppm, pero otros dispositivos en esta familia de osciladores tienen especificaciones de estabilidad de 20 a 100 ppm. La fuente principal de la desviación de frecuencia es el cambio de temperatura. Otra fuente es el envejecimiento de los cristales o el cambio de frecuencia a lo largo del tiempo. Las tasas de envejecimiento son proporcionales a la estabilidad básica. En el caso de este oscilador, la tasa de envejecimiento es de ±5 ppm por año. Las aplicaciones de uso general de XO coinciden con las que no requieren estabilidad de alta frecuencia. Tales aplicaciones incluyen una fuente de reloj para un microprocesador.

El oscilador de cristal de temperatura compensada o 'TCXO' agrega elementos del circuito para compensar las variaciones relacionadas con la temperatura del resonador y el amplificador de cuarzo (Figura 6).

Diagrama de resonador y amplificador de cuarzo

Figura 6: El resonador y el amplificador de cuarzo son sensibles a la temperatura, por lo que el TCXO agrega un sensor de temperatura y una red de compensación de temperatura para corregir la desviación de frecuencia. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Un sensor de temperatura, como un termistor, se utiliza para desarrollar un voltaje de corrección, que se aplica a través de una red adecuada a un diodo varactor variable de voltaje en serie con el cristal para controlar la frecuencia. Esto funciona al cambiar la carga capacitiva del cristal de cuarzo. Con la compensación de temperatura se puede lograr una mejora de veinte veces, o más, en la estabilidad de frecuencia.

El -ASTX-H12-10.000MHZ-T de Abracon es un TCXO típico con un nivel de salida HCMOS y una especificación de estabilidad de frecuencia de ±2 ppm. El costo es aproximadamente tres veces el de un XO básico.

Otro enfoque de la estabilización de la temperatura es encerrar el módulo del oscilador en un horno de temperatura controlada (Figura 7). Esta topología se denomina oscilador de cuarzo de alta resistencia (OCXO).

Diagrama de OCXO que estabiliza la temperatura del oscilador

Figura 7:  El OCXO estabiliza la temperatura del oscilador encerrándolo en un horno con una temperatura configurada para coincidir con la temperatura en la que la curva de frecuencia frente a temperatura del cristal tiene una pendiente de cero. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El oscilador de cristal está encerrado en un horno de temperatura controlada. La temperatura del horno se establece en un valor donde la curva de frecuencia frente a temperatura del cristal tiene una pendiente de cero, de modo que pequeños cambios en la temperatura producen poco o ningún cambio en la frecuencia del oscilador. El OCXO puede mejorar la estabilidad del oscilador más de mil veces. Osciladores como este son necesarios en aplicaciones que requieren una sincronización precisa, como sistemas de navegación o comunicaciones de datos en serie de alta velocidad.

El DOC050F-010.0M de Connor-Winfield es un OCXO con niveles de salida LVCMOS. Tiene una estabilidad de frecuencia especificada de ±0.05 ppm. Este rendimiento mejorado viene con un mayor consumo de energía debido al horno y mayor tamaño y costo (alrededor de 30 a 40 veces el de un XO) en relación con el oscilador de cristal básico.

El oscilador MEMS discutido anteriormente es un ejemplo de oscilador controlado digitalmente (DCXO).

El SIT3907AC-23-18NH-12.000000X de SiTime es un DCXO basado en MEMS con una salida lógica LVCMOS y una estabilidad de frecuencia de 10 ppm. Cuenta con la capacidad de programar un cambio en la frecuencia al utilizar su PLL interno con rangos de "tracción" de ±25 a ±1600 ppm.

Un oscilador de cristal controlado por microordenador (MCXO) presenta una estabilidad de frecuencia igual a la del OCXO con un paquete más pequeño con menores requisitos de energía. Los MCXO estabilizan sus frecuencias de salida con uno de dos métodos. El primero es hacer que el oscilador de la fuente funcione a una frecuencia mayor que la salida deseada y usar la eliminación de impulsos para lograr la frecuencia de salida deseada. El segundo método es operar el oscilador de fuente interna ligeramente por debajo de la frecuencia de salida deseada y agregar una frecuencia de corrección generada por un sintetizador digital directo interno (DDS) a la frecuencia de salida de la fuente.

El LFMCXO064078BULK de IQD Frecuency Products es un MCXO que es compatible con HCMOS con una estabilidad de frecuencia de 0.05 ppm. La familia de productos incluye osciladores en frecuencias fijas clave entre 10 y 50 MHz. Su volumen físico es de solo 88 mm3 y requiere solo 10 miliamperios (mA) a 3.3 voltios, para un consumo total de energía de 33 milivatios (mW).

Algunas aplicaciones requieren que la frecuencia de un oscilador se ajuste. Esto se puede hacer digitalmente o mediante control analógico. El control analógico se realiza con un oscilador de cristal controlado por voltaje (VCXO). La Figura 5 muestra cómo se puede sintonizar un oscilador al aplicar un voltaje a un diodo varactor en serie con el resonador y cambiar su frecuencia al cambiar la capacidad de carga. Este es el principio subyacente del VCXO.

El XLH53V010.000000I de Integrated Device Technology Inc. es un ejemplo de un VCXO que suministra niveles de salida de HCMOS y una estabilidad de frecuencia de ±50 ppm. El rango de tracción de un VCXO indica el desplazamiento de frecuencia máximo que se puede lograr al variar el voltaje de control. Este oscilador tiene un rango de tracción de ±50 ppm. Para la frecuencia de salida nominal de 10 MHz, el rango de tracción es de ±500 Hz.

El oscilador SAW descrito en la sección sobre resonadores es otro oscilador de bajo costo caracterizado por una alta confiabilidad. El XG-1000CA 100.0000M-EBL3 de Epson es un ejemplo de SO. Estos dispositivos se utilizan en aplicaciones de frecuencia fija, como los transmisores de control remoto. Ofrecen una buena estabilidad y especificaciones de fluctuación, pero el mayor beneficio es la confiabilidad.

Combinación de osciladores con aplicaciones

En general, las aplicaciones que utilizan osciladores como una base de tiempo de precisión requieren dispositivos con una mejor estabilidad de frecuencia. Como tales, las aplicaciones relacionadas con GPS se combinan bien con los osciladores basados en OCXO o MCXO. Donde el aislamiento contra golpes y vibraciones es un requisito, un oscilador SO es la mejor opción para la aplicación. La sincronización de las interfaces seriales de alta velocidad requiere una fluctuación de fase de sincronización baja. El costo es un factor en todos los diseños y por lo general varía con el grado de estabilidad de frecuencia que se ofrece. Otros factores, como el tamaño o los requisitos de potencia, dependen del dispositivo en función de la tecnología utilizada. Estos pueden requerir concesiones de ingeniería. En la Tabla 1 se muestra una comparación de las especificaciones claves de los osciladores discutidos en este artículo para ayudar a enfocarse en sus características y beneficios individuales.

Tipo Modelo Resonador Frecuencia (MHz) Estabilidad de frecuencia (±ppm) Envejecimiento (±ppm) Fluctuaciones Potencia (mW) Volumen (mm3)
XO Serie Abracon ASV Cristal 10 50 5 2.5 33 64
VCXO Serie IDT XLH Cristal 10 50 3 1.3 106 24
SO Serie Epson XG-1000CA SAW 100 50 5 3 36 49
DCXO Serie SiTime SIT3907AC-23-18NH MEMS (sistemas microelectromecánicos) 10 50 5 1 62 6.6
TCXO Serie Abracon ASTX Cristal 10 2.5 1 1.6 a 13 4.75
MCXO Serie IQD LFMC Cristal 12 0.05 1 1.6 a 61 84
OCXO Serie Connor-Winfield DOC050F Cristal 10 0.05 0.3 1 2500/1100 b 1000

Notas:

  1. Estimación calculada a partir del ruido de fase
  2. Puesta en marcha/estado estacionario

Tabla 1: Parámetros típicos para comparar varios osciladores. Cada uno se elige en función de los requisitos de diseño y otros factores, como el costo y la disponibilidad en el momento del diseño. (Fuente de la tabla: Digi-Key Electronics)

Los osciladores en la tabla están ordenados por estabilidad de frecuencia. Tenga en cuenta que se utilizaron frecuencias de salida específicas en el artículo, pero que todos estos osciladores ofrecen un rango de frecuencias de salida dentro de cada serie de modelos.

Conclusión

Una buena comprensión de la construcción y el funcionamiento del oscilador contribuye en gran medida a ayudar a los diseñadores a concentrarse en el dispositivo correcto para sus requisitos de aplicación. Como siempre, la elección del oscilador que se utilizará para un proyecto de diseño implicará concesiones de ingeniería que implican costo, potencia, espacio, estabilidad y precisión, pero la variedad de osciladores disponibles ahora minimiza esas concesiones con soluciones listas para usar.

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Acerca de este autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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