Однократно программируемые кварцевые генераторы Epson

Компоненты и технологии, № 1'2002

Однократно программируемые

кварцевые генераторы Epson

Появление в 1997 программируемых кварцевых генераторов фирмы Epson обозначило наступление новой эпохи в технологии производства кварцевых генераторов. Вместо выпуска огромного ассортимента изделий с различными рабочими частотами, напряжениями питания и диапазонами рабочих температур появилась возможность использовать всего несколько стандартных функционально законченных генераторов, а многочисленные их вариации по основным электрическим параметрам обеспечивать уже программным путем на этапе поставки продукции или даже непосредственно у заказчика.

Михаил Петров

petrov@spezial.ru

Многолетний опыт поставок программируемых кварцевых генераторов показал, что широкому их распространению в значительной степени препятствует практически полное отсутствие информации об этих изделиях. До сих пор большинство разработчиков электронной техники с удивлением воспринимают даже само словосочетание «программируемые кварцевые генераторы» и совершенно не представляют себе как возможности, так и недостатки этих изделий.

Что же представляют собой программируемые кварцевые генераторы? И как вообще могут совмещаться два этих на первый взгляд несовместимых понятия — «кварцевый генератор» и «программируемый»?

Достаточно только на время отвлечься от слова «генератор». На самом деле эти изделия представляют собой синтезатор частоты с кварцевой стабилизацией. И название «генератор» было присвоено изделиям для того, чтобы подчеркнуть их место на рынке электронных компонентов. В большинстве случаев стандартный кварцевый генератор с фиксированной частотой может быть свободно заменен программируемым аналогом. Поэтому в дальнейшем мы будем придерживаться терминологии, предложенной фирмой Epson для изделий этого семейства.

Принцип работы

Блок-схема программируемого кварцевого генератора семейства SG-8002 представлена на рис. 1.

В состав микросхемы входит кварцевый генератор опорной частоты 25 МГц, делитель частоты с коэффициентом деления 1/Q, фазовый детектор, ГУН, делитель частоты с коэффициентом деления 1/P, однократно программируемое ЭППЗУ и управляемые выходные каскады.

Фазовый детектор, ГУН и делитель 1/P образуют цепь фазовой автоподстройки частоты. На фазовый детектор поступает поделенный по частоте в Q раз

сигнал с опорного кварцевого генератора и поделенный в P раз сигнал с ГУН. Фазовый детектор производит сравнение фаз этих двух сигналов и управляет ГУН таким образом, чтобы сохранялась постоянная разность фаз сигналов этих источников.

Таким образом, выходная частота ГУН будет составлять fVCO = fREF*P/Q, а ее стабильность определяться только стабильностью частоты опорного кварцевого генератора. При этом, в зависимости от соотношения коэффициентов деления P и Q выходная частота может быть как выше, так и ниже частоты опорного генератора. Значение опорной частоты совместно с коэффициентами деления P и Q определяют сетку допустимых выходных частот генератора. При соответствующей разрядности счетчиков шаг этой сетки может быть сделан достаточно малым. Кроме того, для обеспечения генерации выходной частоты с максимально возможной точностью осуществляется дополнительная подстройка опорного генератора путем подключения к нему одного или нескольких конденсаторов, входящих в состав микросхемы.

Перед окончательным поступлением на выход генератора сигнал с ГУН проходит через делитель частоты на 2 для обеспечения симметрии выходного сигнала, а также через программируемые цепи сдвига уровня, обеспечивающие работу генератора с ТТЛ- или КМОП-нагрузкой.

Программирование

Все микросхемы серии SG-8002 имеют только четыре вывода, которые используются и для программирования генераторов. Программирование осуществляется по разработанной фирмой Epson технологии при помощи специального программатора и под управлением программы, установленной на IBM-совместимом компьютере.

После введения исходных данных о необходимой частоте генерации, ее стабильности, диапазоне рабочих температур и конфигурации выходного

Компоненты и технологии, № 1'2002

Рис. 1. Блок-схема программируемого кварцевого генератора

каскада осуществляется проверка введенных данных на совместимость с возможностями заданного типа кварцевого генератора. В случае успешной проверки выдается приглашение к записи. После установки генератора в панельку программатора можно начинать программирование. Весь цикл записи осуществляется автоматически и состоит из нескольких этапов.

На первом этапе на вывод 1 (вход управления выходным каскадом) подается отрицательное напряжение, переводящее микросхему в режим программирования.

На следующем этапе осуществляется контроль выходной частоты. Для незапрограмми-рованного генератора выходная частота должна

равняться частоте колебаний опорного генератора. При значительном отклонении выходной частоты от штатного значения дальнейшее программирование прекращается и выдается сообщение об ошибке. Если измеренное значение частоты не выходит за допустимые границы, то, исходя из результата измерения и необходимого значения частоты генерации, программа принимает решение о необходимости коррекции опорной частоты для достижения максимальной точности. Подгонка частоты кварцевого опорного генератора становится возможной благодаря наличию встроенного набора конденсаторов. В ходе программирования осуществляется подключение или отключение необходимых конденсаторов.

Далее программируются коэффициенты деления двух делителей частоты и цепи сдвига уровня в выходном каскаде. Затем вывод микросхемы OUT, который до сих пор служил входным, программируется как только выходной. Таким образом блокируется любая возможность случайного перепрограммирования генератора в ходе его дальнейшей эксплуатации.

После окончания программирования проверяются и выводятся на экран основные параметры генератора: выходная частота, измеренная при комнатной температуре, потребляемый ток в рабочем режиме и режиме покоя, уровни выходного напряжения. Если по этим параметрам микросхема отвечает

Таблица 1. Основные электрические параметры генераторов семейства SG-8002

Параметр PT/ST PH/SH PC/SC Примечание

Диапазон выходных частот fo 1,000-125,000 МГц

Рабочее напряжение Vdd 5,0 ± 0,5 В 3,3 ± 0,3 В 3,0 ±0,3 В при ^<66,7 МГц

Диапазон рабочих температур TOPR -20...+70°C (-40...+85°C) -40°C to +85°C см. подробное описание

Стабильность частоты v B: ±50x 10-6, C: ± 100x 10-6 ,M: ±100x0"6 В,С:-20...+70°С, М:-40...+85°С см. подробное описание

Потребляемый ток 'op 45 мА макс. 28 мА макс. Макс. рабочая частота, без нагрузки

Потребляемый ток в режиме покоя 'oe T 30 мА макс. 16 мА макс. 0Е = 0№

'st 50 мкА макс. БТ = 0№

Скважность fW/t - 40 %-60 % КМОП нагрузка, уровень 1/2 Уоо

40%-60% ТТЛ нагрузка, уровень 1,4 В

Выходное напряжение высокого уровня VOH VDD-0,4 В мин. 1он=-16 мА (РТ/Б^РН/БН), -8 мА

Выходное напряжение низкого уровня Vol 0,4 В макс. 1ог 16 мА

Максимальная нагрузочная способность N 5 ТТЛ макс. - макс. рабочая частота

Максимальная нагрузочная способность Cl 15 пФ макс.

Время нарастания и спада выходного сигнала tTLH, tTHL 4 нс кМоп нагрузка 20% урр- 80 % У™, Ттл нагрузка 0,4 В - 2,4 В

Время включения генератора tOSC 10 мс макс. с момента достижения напряжением питания минимального значения рабочего напряжения

Долговременная стабильность частоты fA ±5х10-6/год ТА= +25°С, Уоо = 5,0 В/3,3 В

Джиттер фронтов сигнала tj 250 пс макс. f0 = 1-125 МГц, С1 = 15 пФ

Компоненты и технологии, № 1'2002

Таблица 2. Конфигурации программирования выходного каскада

Функция вывода управления P: OE S: ST

Рабочее напряжение 5,0 ±0,5 В 3,3 ±0,3 В 5,0 ±0,5 В 3,3 ±0,3 В

Выходная нагрузка T: ТТЛ H: КМОП C: КМОП T: ТТЛ H: КМОП C: КМОП

Стабильность частоты B: ±50х10"6 (-20...+70 °C) PTB PHB PCB STB SHB SCB

C: ±100х10-6 (-20...+70°C) PTC PHC PCC STC SHC SCC

M: ±100х10-6 (-40...+85°C) PTM PHM PCM STM SHM SCM

требованиям заказчика, то на этом ее программирование заканчивается.

Конструктивное исполнение

Генераторы семейства SG-8002 выпускаются в пяти вариантах исполнения — три варианта для поверхностного монтажа (SG-8002JA/JC/JF^ два — для монтажа в отверстия печатной платы (SG-8002DB/DC). Типы корпусов и расположение выводов полностью соответствуют стандартным широко распространенным сериям генераторов SG-51, SG-531, SG-615, SG-636 и SG-710. Все они выпускаются по единой технологии и практически не различаются по своим электрическим параметрам. Этим достигается максимальная степень взаимозаменяемости генераторов в существующей и вновь разрабатываемой аппаратуре.

В таблице 1 приведены основные электрические параметры генераторов семейства SG-8002. Эти генераторы различаются только параметрами программирования. Возможны 6 вариантов программирования выходного каскада: PT/ST для работы в 5-вольтовых цепях с ТТЛ-нагрузкой, PH/SH для 5-вольтовых цепей с КМОП-нагрузкой и PC/SC для 3,0-3,3-вольтовых КМОП-цепей.

Кроме того, в вариантах PT, PH и PC вывод 1 микросхемы OE (Output Enable) программируется для управления выходным каскадом микросхемы, а в вариантах ST, SH и SC вывод 1 ST (STtandby) используется для перевода микросхемы в режим покоя. Разница этих двух режимов состоит в том, что в режиме OE при подаче на вход 1 низкого логического уровня выход микросхемы переводится в вы-сокоимпедансное состояние, в то время как оставшиеся цепи микросхемы продолжают полностью функционировать. В режиме ST при подаче на вход 1 низкого логического уровня работа микросхемы полностью прекращается, и выход соединяется с общим проводом через высокоомный резистор. В таком режиме покоя ток, потребляемый микросхемой от источника питания, уменьшается приблизительно на три порядка и не превышает 50 мкА. Платой за это является продолжи-

тельный выход микросхемы на рабочий режим после подачи на вывод ST высокого логического уровня. Это время составит около 10 мс и будет ровно таким же, как и при подаче напряжения питания на микросхему.

Если вы не планируете использовать какой-либо из вариантов отключения генератора, то вывод 1 можно соединить с положительным выводом источника питания или оставить не присоединенным. В состав микросхемы уже входит резистор номиналом порядка 30 кОм, подключенный между выводами 1 (OE/ST) и 4 (VDD). При этом при подаче на вход 1 низкого уровня номинал этого резистора увеличивается приблизительно в 10 раз для уменьшения протекающего на входе тока.

Все возможные конфигурации программирования выходного каскада приведены в таблице 2.

Несколько слов о программировании рабочей частоты генератора. Поскольку технология производства генераторов семейства SG-8002 является закрытой технологией фирмы Epson, то информация о разрядности делителей частоты, диапазон перестройки опорного кварцевого генератора и подробный алгоритм программирования никогда не публиковались в открытых источниках. Поэтому практически невозможно заранее вычислить сетку допустимых частот программирования. Более того, в рамках одного и того же типа генератора происходит периодическая их модернизация, направленная на повышение допустимой точности.

В результате сетка допустимых частот программирования имеет шаг от 2 Гц до 100 Гц. Поэтому если вас устраивает допустимая стабильность частоты ±100х10-6 в диапазоне рабочих температур -20...+70 °C, то в этих пределах точности можно запрограммировать практически любую рабочую частоту.

Если вам необходима стабильность ±50х10-6 или работа генератора в диапазоне рабочих температур -40...+85 °С, то предварительно желательно выяснить возможность программирования вашей конкретной частоты. Для этого вы можете прислать нам заявку или самостоятельно проверить эту возможность на сайте

фирмы Epson (www.epson.co.jp/device/ crystal/sg8000/).

Основные преимущества и недостатки программируемых кварцевых генераторов

Основное преимущество программируемых кварцевых генераторов семейства SG-8002 состоит в том, что они могут быть запрограммированы на конечном этапе поставки или же — при большом объеме потребления — непосредственно самим заказчиком. Поэтому вместо широкого ассортимента выпускаемой продукции и независимо от требований заказчика фирма-производитель обеспечивает производство всего пяти «чистых» незапрограммированных генераторов в различных вариантах корпусов. Генераторы могут быть в достаточном количестве накоплены на складах поставщиков или самого заказчика и программироваться под конкретные требования по мере необходимости. Это значительно сокращает сроки поставки необходимых вариантов генераторов и позволяет быстро решить проблемы, связанные с изменением параметров генераторов в ходе работы над проектом. Кроме того, не представляет проблем и использование рабочей частоты, не попадающей в сетку стандартных частот генераторов других производителей.

Одновременно сам принцип работы программируемого генератора налагает ряд ограничений на возможные области его применения. Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ. Повышенный уровень фазовых шумов генератора может привести к нарушению работоспособности цепей ФАПЧ. Такие же проблемы могут возникнуть при использовании программируемого генератора в качестве опорного в схемах спектроанализаторов.

Но, несмотря на это, в подавляющем большинстве применений программируемые кварцевые генераторы могут без проблем использоваться вместо стандартных генераторов с фиксированной частотой.

Таблица 3. Варианты программирования генераторов семейства HG-8002DC/JA

Функция вывода управления P: OE S: ST

Рабочее напряжение 5,0 ±0,5 В 3,3 ±0,3 В 5,0 ±0,5 В 3,3 ±0,3 В

Выходная нагрузка T: ТТЛ H: КМОП C: КМОП T: ТТЛ H: КМОП C: КМОП

Стабильность частоты AV: ±20х10-6 (-20...+70 °C) PTAV PHAV PCAV STAV SHAV SCAV

BV: ±25х10-6 (-20...+70°C) PTBV PHBV PCBV STBV SHBV SCBV

CX: ±30х10-6 (-40...+85°C) PTCX PHCX PCCX STCX SHCX SCCX

Компоненты и технологии, № 1'2002

Прецизионные программируемые кварцевые генераторы

На рынке программируемых генераторов появилось новое семейство Н0-8002, которое выпущено на основе технологических и схемотехнических решений, использовавшихся ранее при разработке семейства 80-8002, и поэтому обладает теми же электрическими параметрами. Единственное отличие генераторов — они выпускаются в данный момент только в двух типах корпусов ^С и 1А) и могут быть запрограммированы с тремя градациями по стабильности частоты АУ: ±20х10-6, -20... + 70 °С; БУ: ±25х 10-6, -20...+70 °С; СХ: ±30х10-6, -40... + 85 °С. Долговременная стабильность частоты для всех генераторов семейства Н0-8002 не превышает ±2х10-6/год.

Полный ассортимент генераторов семейства Н0-8002 представлен в таблице 3.

Дальнейшие перспективы развития программируемых кварцевых генераторов

В настоящий момент на окончательном этапе разработки и начала опытных поставок находится программируемый кварцевый генератор семейства М0-51008А. В его состав входит кварцевый опорный генератор, три цепи фазовой автоподстройки частоты, несколько делителей частоты с фиксированными коэффициентами деления и набор управляемых коммутаторов. Это обеспечивает возможность одновременной генерации до 6 различных выходных частот в диапазоне частот 76,9 кГц ... 100 МГц.

Подробнее с информацией по программируемым кварцевым генераторам вы можете ознакомиться на сайте фирмы «Специал Электро-ник» по адресу www.spezial.ru.