El preciso oscilador de silicio reduce el consumo total del sistema

La elección de un reloj solía ser sencilla: tomar un cristal de cuarzo superpreciso, de baja fluctuación y de frecuencia fija, o improvisar un oscilador RC bastante ruidoso e inexacto utilizando componentes discretos. Sin embargo, en los últimos tiempos ha aumentado el número de opciones de relojes, lo que hace más difícil la decisión, lo que ha dado lugar a una serie de preguntas importantes. ¿Es absolutamente necesaria la precisión del cristal? ¿Son importantes el bajo consumo y la fiabilidad, lo que sugiere una solución totalmente de silicio? ¿Qué pasa con los resonadores cerámicos baratos? ¿Están a la altura?

Cada una de estas soluciones tiene sus puntos fuertes y débiles. El consumo de energía, la precisión, el ruido y la durabilidad deben tenerse en cuenta a la hora de elegir un reloj. El LTC6930 es un oscilador totalmente integrado, autónomo y de silicio que ocupa un espacio único en el mundo de las soluciones de reloj, ya que ofrece una combinación de características de precisión y bajo consumo difícil de superar.

El LTC6930, que no requiere componentes externos adicionales, puede ofrecer con precisión frecuencias fijas entre 32,768kHz y 8,192MHz en un amplio rango de alimentación de 1,7V-5,5V (Tabla 1). Suele disipar entre 100µA y 500µA, dependiendo de la frecuencia y la carga, y está disponible en encapsulados DFN de 2 mm × 3 mm y en encapsulados MS8 estándar.

Lo que no es inmediatamente obvio en el LTC6930 es que su baja disipación de energía es sólo una pequeña parte de su capacidad de ahorro de energía. Sus tiempos de arranque y conmutación rápidos y precisos ahorran mucha más energía que el LTC6930 potencia del sistema que lo que consume el aparato por sí mismo.

Muchos dispositivos electrónicos, sobre todo las aplicaciones portátiles que funcionan con batería, utilizan un modo de suspensión de bajo consumo para conservar la energía durante los periodos de baja actividad. La profundidad y la eficacia de los modos de suspensión están limitadas por los requisitos de recuperación, es decir, la velocidad a la que el sistema debe volver a la plena potencia. Un oscilador de cristal estándar puede contribuir significativamente a los tiempos de recuperación.

Los osciladores de cristal pueden tardar decenas de milisegundos en producir una salida precisa al recuperarse de una parada. La técnica de utilizar dos relojes, uno rápido para el funcionamiento a plena potencia y otro más lento para la espera, puede degradar la precisión y el rendimiento de recuperación del sistema, ya que la conmutación del reloj genera impulsos y ráfagas que pueden sabotear los tiempos de recuperación en espera.

En cambio, el LTC6930 realiza una transición fácil y precisa del modo de reloj rápido al modo de reposo más lento. La transición de una frecuencia de reloj a otra tarda menos de un ciclo de reloj, y no se generan impulsos de runa o astillas. El LTC6930 también tiene un tiempo de arranque rápido de 100µs y se garantiza que la primera salida de reloj sea limpia. Esto permite al diseñador aplicar el modo de reposo libremente, sin preocuparse de la recuperación del reloj, ahorrando una cantidad importante de energía del sistema.

La frecuencia de salida del LTC6930 se define mediante tres pines DIV, que controlan un divisor de reloj interno. La frecuencia del oscilador maestro ajustada en fábrica puede dividirse por un factor de hasta 128, y el cambio de un modo de división a otro se realiza en un solo periodo de reloj y sin ráfagas ni impulsos de impulso. Los tres pines pueden unirse para permitir que una sola señal digital de un microcontrolador desplace el reloj hacia abajo por un factor de 128, como se muestra en la Figura 1. Esto es suficiente para desplazar un reloj hacia abajo de 8MHz a 64kHz.

Los pines DIV pueden direccionarse en varias combinaciones para desviaciones de frecuencia más pequeñas o de forma independiente para sistemas complejos de modulación de potencia en los que un microcontrolador tiene un control preciso sobre su propia velocidad de reloj, como se muestra en la Figura 2.

Aunque se produce un cierto ahorro de energía en el LTC6930 cuando se reduce la frecuencia de salida (Figura 3), se consigue un ahorro mucho mayor en el sistema global. El consumo de energía de los dispositivos CMOS, como los microcontroladores, es aproximadamente proporcional a su velocidad de reloj de funcionamiento. Al ralentizar el reloj en un factor de 128 durante el estado de reposo, la potencia del sistema puede reducirse en un factor de 100, lo que es muy importante en un sistema que pasa mucho tiempo en modo de reposo.

Muchos sistemas están diseñados para dormir la mayor parte del tiempo y despertarse brevemente en ocasiones para realizar alguna tarea. Si una tarea requiere especialmente poco tiempo, la disipación total de energía para la tarea puede estar dominada no por el tiempo de espera, sino por el tiempo necesario para que el oscilador y la electrónica sensorial asociada se enciendan. El rápido tiempo de arranque garantizado del LTC6930 permite a los diseñadores de sistemas presupuestar un tiempo de recuperación mínimo y así ahorrar energía en el tiempo de configuración del arranque.

Los osciladores de cristal suelen especificar tiempos de arranque de hasta 20 ms, si es que se especifican, y la salida de los primeros relojes puede ser de baja amplitud y estar fuera de las especificaciones. La tarea de los diseñadores se complica aún más por el hecho de que el tiempo de arranque puede variar aleatoriamente. Consulta las Figuras 4 y 5 para ver cómo el tiempo de arranque de un oscilador de cristal se compara de forma bastante desfavorable con el arranque del LTC6930. Un sistema que tiene que despertarse de vez en cuando durante un milisegundo para realizar una única medición puede acabar gastando 100 ms en esperar a que su reloj se despierte sin una señal limpia y luego se estabilice para poder realizar esa única medición. El arranque rápido y limpio de 100µs del LTC6930 permite al diseñador de un sistema de este tipo reducir el tiempo de activación, y por tanto la disipación de energía, en un factor de aproximadamente 100.

El gran problema al pasar de un cristal de cuarzo a un oscilador de silicio será siempre la precisión. Si algo hacen bien los osciladores de cristal es proporcionar una fuente de frecuencia estable y precisa, pero la precisión es sólo una de las varias preocupaciones.

Aunque cada aplicación individual es diferente, los años de experiencia de Linear con los osciladores de silicio nos permiten hacer algunas recomendaciones generales basadas en las aplicaciones reales de los clientes. Con una precisión inicial superior al 0,09% y una precisión de grado comercial a lo largo de la temperatura superior al 0,45%, el LTC6930 no rivaliza con los osciladores de cristal en todos los ámbitos, pero proporciona un reloj suficientemente preciso para la mayoría de las aplicaciones.

Por supuesto, hay aplicaciones que requieren características de precisión o fluctuación más allá del alcance del LTC6930, como la sincronización de convertidores analógico-digitales de alta velocidad, como la serie LTC2242, la sincronización de sistemas de comunicación en serie de alta velocidad sensibles a la fluctuación, como Ethernet, y funciones de temporización a largo plazo, como los relojes de alarma digitales. Sin embargo, los osciladores de silicio como el LTC6930 funcionan mucho mejor que los osciladores de cristal cuando el consumo de energía es un problema y la precisión extrema no es primordial. Estas aplicaciones incluyen la sincronización de microprocesadores y microcontroladores, el uso como base de tiempos para protocolos de comunicación en serie de baja velocidad, como USB y RS232, aplicaciones de audio digital, la sincronización de fuentes de alimentación conmutadas y dondequiera que se necesite un reloj de propósito general.

Al comparar la disipación de energía de los relojes, es importante tener en cuenta no sólo la disipación del propio oscilador, sino también cómo las características y los tiempos de puesta en marcha del oscilador afectan a la disipación del sistema global. Los osciladores de cristal no sólo disipan más corriente que otras alternativas, sino que pueden tener otras características de puesta en marcha y control que desperdician energía. Si se tiene en cuenta la programabilidad de la frecuencia sobre la marcha y el tiempo de configuración del ciclo de reloj del LTC6930, está claro que conserva mucha más energía del sistema de lo que indica su especificación de disipación.