Предисловие: Кварцевый резонатор, керамические резонатор, RC (резистор, конденсатор) генератор и кремниевый осциллятор — четыре возможных источника для тактирования микроконтроллера (микросхемы). Оптимальный выбор для конкретной задачи зависит от многих факторов, таких как цена, точность и факторы окружающей среды. Эта статья описывает основные факторы различных типов источников опорной частоты для выбора источника тактирования микроконтроллера.
Ведение
Основные группы источников тактирования для микроконтроллеров (прим.: и других типов ИС) могут быть разделены на две группы: первая — это источники, основанные на механическом резонансе, такие как кварцевые и керамические резонаторы, и вторая — источники, основанные на фазовом сдвиге сигнала, основанные на RC цепях. Кремниевые осцилляторы — это обычно полностью интегрированная в один корпус версия RC-генератора с источниками тока, точными RC-компонентами и схемами температурной компенсации для стабильности. Два примера источников показаны на Рисунке 1. На Рисунке 1 (а) показан генератор Пирса, который показывает общее подключение (схему) для механических резонаторов, таких как кварцевые или керамические резонаторы. На Рисунке 1 (б) показан простейший RC-генератор.
Рисунок 1. Примеры простейших источников тактирования:
(a) — Генератор Пирса, (b) — RC-генератор.
Основные различия между механическими резонаторами и RC-генераторами
Кварцевые и керамические резонаторы (механический тип) имеют высокую точность и умеренно низкий температурный коэффициент. RC-генератор же имеет быстрое время старта (прим.: выхода на заданную частоту) и низкую стоимость, но обычно страдает от низкой точности и зависимости от температуры и напряжения питания, и поэтому возможен разброс от 5% до 50% выходной частоты. Хоть и схемы, показанные на Рисунке 1, могут давать чистый, стабильный тактовый сигнал, на их работу сильно влияют условия окружающей среды, выбор компонентов и разводка схемы генератора на печатной плате. Керамические резонаторы и значение их ёмкостной нагрузки должны быть оптимизированы для работы с конкретными логическими элементами. Кварцевые резонаторы благодаря высокому значению Q (прим.: добротности) не так чувствительны к выбору усилителя, но подвержены уходу частоты (и даже разрушению кристалла) при перегрузке. Внешние факторы воздействия, такие как электромагнитные импульсы (прим.: ЭМИ), механические вибрации и удары, влажность, и температура, влияют на работу резонатора. Названые факторы могут вызывать уход частоты, увеличивать джиттер и в редких случаях даже прерывать генерацию.
Цельные модули
Многие из описанных выше моментов могут быть опущены при применении готовых модулей генераторов. Эти модули уже включают в себя всё необходимое для генерации тактовой частоты, имеют выход с низким импедансом и форму выходного сигнала — меандр (прим.: бывает и синус, меандр — самый распространённый вариант). Кварцевые генераторы и кремниевые осцилляторы наиболее распространены. Кварцевые генераторы имеют точность аналогичную, если собирать на дискретных компонентах и кварцевом резонаторе. Модули кремниевых осцилляторов же имеют более высокую точность, чем собранные на дискретных компонентах, и даже могут иметь точность, сопоставимую с генераторами на керамических резонаторах.
Ток потребления
Ток потребления — это еще один важный пункт в выборе источника тактирования. Мощность, потребляемая генератором на дискретных компонентах, во многом определяется током потребления усилителя и ёмкостью его нагрузки. Ток потребления усилителей на КМОП напрямую зависит от рабочей частоты и рассеивания мощности на ёмкость нагрузки. Для примера, ёмкость нагрузки для стандартного логического инвертора HC04 обычно около 90 пФ. При работе на частоте 4 МГц и питающем напряжении 5 В ток потребления будет около 1,8 мА. Кварцевый резонатор также имеет некоторую ёмкость, в среднем около 20 пФ, и ток потребления с учётом этой нагрузки уже будет около 2,2 мА.
Керамический резонатор обычно подразумевает более высокую ёмкость нагрузки по сравнению с кварцевым резонатором и поэтому ток потребления будет больше с использованием того же самого усилителя в обоих случаях.
Для сравнения, модули на основе кварцевых резонаторов обычно имеют потребление тока от 10 мА до 60 мА, т. к. имеют встроенные схемы температурной компенсации и управления модулем.
Потребляемый ток для кремниевых осцилляторов зависит от их типа и может варьироваться от нескольких микроампер (низкочастотные осцилляторы) до десятков миллиампер (программируемых осцилляторов). Для примера: экономичный кремниевый осциллятор, как MAX7375, имеет потребление тока меньше 2 мА с выходной частотой 4 МГц.
В итоге
Оптимальный источник тактовой частоты для конкретного применения определяется комбинацией различных факторов, таких как точность, цена, ток потребления и факторы окружающей среды (прим.: зачастую еще очень важны габариты корпуса и тип монтажа на печатную плату). Таблица ниже включает в себя все типы источников, о которых говорилось выше, с описанием их сильных и слабых сторон.
Таблица 1. Сравнение различных типов источников тактирования
|
Источник тактирования |
Точность |
Преимущества |
Недостатки |
| Кварцевый резонатор | От средней до высокой | Низкая стоимость | Чувствительны к ЭМИ, вибрации, и влажности. Требуется комплексное согласование импеданса |
| Кварцевый генератор (модуль) | От средней до высокой | Не чувствительны к ЭМИ и влажности. Не требуются дополнительные компоненты или согласование импеданса | Высокая цена. Высокий ток потребления. Чувствительны к вибрациям. Габаритный корпус |
| Керамический резонатор | Средняя | Ещё более низкая стоимость | Чувствительны к ЭМИ, вибрации, и влажности |
| Кремниевые осцилляторы | От низкой до средней | Не чувствительны к ЭМИ, вибрациям и влажности. Быстрое время старта, малые габариты и не требуются дополнительные компоненты или согласование импеданса | Чувствительность к температурным изменениям обычно выше, чем у кварцевых и керамических резонаторов. Для некоторых типов требуется значительный ток потребления |
| RC-генератор | Очень низкая | Самая низкая стоимость | Обычно чувствительны к ЭМИ и влажности. Низкая температурная стабильность и подавление помех по питанию |
