El oscilador de precisión Micropower consume solo 60 µA a 1 MHz

Tradicionalmente, los relojes electrónicos han utilizado cristales de cuarzo, resonadores cerámicos o elementos discretos R, L o C como referencia de tiempo, pero cada uno de estos diseños tiene varias desventajas que los hacen inadecuados para diversas aplicaciones. Los resonadores de cristal de cuarzo y cerámica pueden consumir mucha energía y su precisión está sujeta a restricciones ambientales. Los osciladores de cristal tienen la desventaja adicional de ser susceptibles a daños por golpes o vibraciones. Los osciladores RC tienen poca fluctuación y precisión, o requieren componentes de precisión costosos. Una alternativa más robusta y compacta a todos estos es un reloj totalmente de silicio, como el oscilador de micropotencia controlado por resistencia LTC6906.

El LTC6906 es un oscilador de silicio monolítico con ventajas significativas en tamaño, potencia, costo y sensibilidad ambiental sobre otros osciladores, y solo requiere una resistencia externa para sintonizar la frecuencia en todo su rango de 10 kHz a 1 MHz (Fig. 1). Su precisión del 0,65 % y la fluctuación de fase tan baja como el 0,03 % lo convierten en una opción excelente para aplicaciones de precisión, y las ventajas de potencia y tamaño permiten que el LTC6906 encaje en diseños donde los cristales nunca podrían ir.

El LTC6906 es parte de una familia de osciladores SOT-23 controlados por resistencia. Estos osciladores controlados por resistencia utilizan una resistencia externa libre para ajustar la frecuencia de oscilación y existe una relación lineal simple entre el valor de la resistencia y la frecuencia de salida.

El LTC6906 utiliza una innovadora arquitectura de bajo consumo con un oscilador maestro que opera entre 100 kHz y 1 MHz. Se proporciona un pin divisor de tres estados que puede usar un divisor interno para reducir la frecuencia de salida en un factor de 1, 3 o 10 para proporcionar un rango de frecuencia completo de 10 kHz a 1 MHz. Para una mayor precisión en el extremo inferior del rango de frecuencia con corrientes de polarización muy bajas, se proporciona un pin de protección para la entrada de la resistencia de sintonización de frecuencia.

La frecuencia del oscilador maestro se establece mediante una resistencia externa conectada entre el pin SET y tierra. El LTC6906 mantiene el pin SET a unos 650 mV por encima del suelo, con un tempco de -2,2 mV/° C. La frecuencia del oscilador maestro está relacionada con la resistencia SET de la siguiente manera:

y solo está relacionado con la resistencia en el pin SET, sin tener en cuenta la corriente o el voltaje exactos del pin SET.

El LTC6906 utiliza solo 10 µA cuando funciona a 100 kHz (Figura 2). Hay tres componentes en este sorteo actual. Los circuitos internos de referencia y polarización utilizan una corriente estática de aproximadamente 5 µA. Se utiliza una corriente de polarización variable de aproximadamente 6 veces la corriente en la resistencia SET para impulsar y polarizar el oscilador interno. La corriente de carga relacionada con la capacitancia de carga, el voltaje de suministro y la resistencia de carga es el resto de la ecuación de disipación. Una expresión aproximada para el flujo de suministro total es:

La Figura 3 muestra la amplitud relativa de estos tres componentes en el rango de frecuencia para una capacitancia de carga de 5pF, sin carga resistiva.

Tenga en cuenta que la potencia disipada en la carga varía del 25% a más del 40% de la potencia total de 100 kHz a 1 MHz. Cualquier reducción en la capacitancia o resistencia de la carga puede tener un efecto significativo en la porción de corriente de carga de la disipación de potencia. Se puede lograr una disipación de energía tan baja como 7 µA a 100 kHz con una carga de salida brillante. La tensión de alimentación también reduce la potencia disipada en la carga.

La participación de los divisores internos tiene un mayor efecto sobre la disipación de potencia cuando la corriente de carga es más alta a frecuencias más altas, pero tiene poco efecto cuando las corrientes de polarización internas afectan al maestro de frecuencias más bajas del oscilador, como se muestra en la Figura 4.

La elección de la resistencia SET está dictada por la frecuencia de salida deseada. La sección se especifica para frecuencias de oscilador maestro entre 100 kHz y 1 MHz, con posibles relaciones DIV de 1, 3 y 10. Estos rangos DIV se superponen y algunas frecuencias tienen varias combinaciones válidas de valores de resistencia DIV y SET. La disipación de potencia más baja para una frecuencia dada siempre se logra ajustando la resistencia SET lo más alto posible y DIV lo más bajo posible. Genere 100kHz usando DIV=10 y R_TRABAJO =100kΩ disipa mucha más energía que DIV=1 y R use_TRABAJO = 1000 kΩ.

La siguiente ecuación relaciona la frecuencia deseada del oscilador maestro con R_TRABAJO evaluación:

donde N es la relación de división elegida entre 1, 3 o 10, R_TRABAJO es el valor de la resistencia SET y f_AFUERA Es la frecuencia de salida deseada. Por ejemplo, consulte la Tabla 1 para las R válidas_TRABAJO valores para generar una frecuencia de salida de 100 kHz en las tres posiciones DIV. En la tabla se puede ver que, dependiendo de la configuración del pin DIV, la corriente para una frecuencia de salida dada puede variar en un factor de hasta 4,5.

Hay variaciones en la elección de la resistencia SET más grande posible y el valor DIV más pequeño posible. El jitter aumenta con valores de DIV más pequeños y se puede tolerar una mayor precisión de frecuencia con un R alto_TRABAJO valores debido a fugas en el pin SET, especialmente a temperaturas más altas.

El LTC6906 tiene una precisión de frecuencia de <0,65 % en el rango de temperatura comercial y, para obtener la mejor precisión, se debe tener cuidado de limitar las fugas de la placa alrededor del R_TRABAJO alfiler Una resistencia parásita a tierra de 1 GΩ puede cambiar la frecuencia en un 0,1 %, y la misma resistencia al suministro positivo puede aumentarla hasta un 0,3 %. Se proporciona un pin de protección débilmente conducido al mismo voltaje de CC que el pin SET, y la señal de protección debe enrutarse completamente alrededor del pin SET, en el mismo lado de la placa de la computadora que el dispositivo, y no debe estarlo. máscara de soldadura (ver Figura 5).

El anillo de protección no es necesario en todas las aplicaciones, especialmente en aquellas con valores de resistencia SET más bajos y excelentes prácticas de montaje. La mayoría de los problemas de fugas en la placa son causados ​​por una limpieza inadecuada del fundente de la placa o por un ensamblaje descuidado. Con un montaje perfectamente limpio, el anillo de protección es completamente inútil.

El LTC6906 utiliza una corriente de conmutación para impulsar la resistencia SET, por lo que puede haber ruido visible en la línea SET. Aunque este ruido no contribuye al jitter en la señal de salida, puede afectar la precisión de la frecuencia en presencia de capacitancia parásita en el pin SET. Debido a esta sensibilidad a la capacitancia parásita y al riesgo de fugas adicionales por un cable largo, se recomienda ubicar la resistencia SET lo más cerca posible del pin SET y en el mismo lado de la placa de PC que el LTC6906.

La estabilidad a largo plazo de los osciladores de silicio se especifica en ppm/√kHrque es típico de otros dispositivos de silicio, como amplificadores operacionales y referencias de voltaje. Dado que la corriente en los osciladores de silicio se genera principalmente por el movimiento de iones en el silicio, la mayor parte de la corriente se obtiene al principio de la vida útil del dispositivo y se puede esperar que la corriente se mantenga a largo plazo. ppm/√kUna hora la unidad modela este cambio de hora en el interruptor horario. Los osciladores de cristal a veces se especifican y la corriente medida i cm/año. Esta medida modela un mecanismo de flujo diferente y el perfil de decaimiento no es el mismo. La figura 6 muestra una comparación de diferentes caudales durante un período de cinco años.

Al calcular la cantidad de corriente esperada, es importante incluir todo el tiempo en el cálculo, ya que la relación con el tiempo no es lineal. La corriente de 5 años no es 5 veces mayor que la corriente de un año. Ejemplo de cálculo de corriente de 5 años a 300 ppm/√kHr como sigue:

5 años • 365,25 días/año • 24 horas/día = 43.830 horas = 43.830 kHr

Los cálculos actuales asumen que la pieza está en funcionamiento continuo durante la duración del cálculo. Los movimientos de iones que causan la corriente generalmente son ayudados por campos eléctricos en las partes operativas, y la corriente es mucho menor si las partes no están desenergizadas durante todo el período actual. Se usarían cálculos conservadores de una décima parte de la especificación de flujo para el tiempo en que no se aplica energía a la pieza.

El pin de entrada DIV del LTC6906 es una entrada de tres estados, similar en muchos aspectos al pin DIV de otros osciladores de silicio LTC, capaz de resolver tres estados diferentes: alto, abierto y bajo. Los pines de entrada de tres estados permiten una mejor funcionalidad en paquetes de bajo número de pines y son compatibles con las salidas de tres estados de muchos microcontroladores. La configuración estática se logra fácilmente conectando el pin a un suministro positivo o tierra, o dejándolo flotar.

En el estado ABIERTO, el pin DIV del LTC6906 es relativamente insensible al ruido que se encuentra comúnmente en las placas de circuitos impresos, pero se debe tener cuidado de no eliminar un rastro de punto flotante largo del pin, o conducir el pin al conducir este rastro junto a una. línea con fuertes señales de CA. La inmunidad al ruido del pin DIV se puede mejorar fácilmente agregando un capacitor a tierra o una resistencia en serie de hasta 100 kΩ colocada cerca del pin DIV.

Durante el funcionamiento normal, el pin DIV usa una pequeña corriente de aproximadamente 1 µA para llevar el voltaje del pin DIV a casi la mitad del voltaje de suministro. Por lo tanto, si el pin se deja abierto, cualquier capacitancia adicional retrasará el pin para estabilizarse en el estado ABIERTO.

Las aplicaciones que usan el pin DIV para cambiar la frecuencia en tiempo real deben considerar que, como está diseñado para operación de baja potencia, el circuito de búfer del pin DIV es lento, con retrasos de hasta alrededor de 12 µs entre las activaciones del pin DIV y los cambios. . en la salida del LTC6906. Este retraso de transición debe tenerse en cuenta en la aplicación, o un divisor de frecuencia externo puede reemplazar el divisor de frecuencia interno para reducir el tiempo de respuesta a un cambio de frecuencia.

El LTC6906 se puede configurar en aplicaciones en las que se debe cambiar la resistencia SET para que funcione a diferentes frecuencias. Al cambiar la resistencia SET, el mejor rendimiento y precisión se logra colocando el mecanismo de interruptor entre la resistencia establecida y GND, no entre la resistencia establecida y el pin SET (vea la Figura 7). El pin SET es susceptible a la interferencia de capacitancia externa o señales externas, y el aislamiento a través de la resistencia SET reduce esta sensibilidad.

El LTC6906 no es adecuado para la modulación de corriente a través del pin SET porque, para ahorrar energía, el voltaje en el pin SET no está regulado por la temperatura o la carga. Como resultado, la modulación de frecuencia es una función del voltaje del pin establecido, así como también de la corriente del pin establecido. La frecuencia aún se puede modular a través del pin SET, pero la relación entre la corriente o el voltaje de modulación y la frecuencia de salida no es muy precisa porque depende del voltaje del pin SET indefinido.

El circuito de la Figura 8 muestra un método de modulación que da como resultado una fluctuación de fase baja y un rendimiento estable. Al modular la corriente del pin SET a través de una resistencia, se reducen los efectos de la capacitancia parásita en la precisión de la frecuencia inicial.

El LTC6906 es un oscilador de micropotencia con una precisión del 0,65 % y un Jitter muy bajo. Debido a su tamaño pequeño, configuración simple y consumo de energía muy bajo, es ideal para aplicaciones de bajo consumo que controlan microcontroladores, FPGA y proporciona una referencia de reloj para dispositivos alimentados por batería.