Oscilador a Cristal Controlado por Voltage (VCXO): Estudios Preliminares para su Integración. Laureano Bulus Alumno UNLP CeTAD, Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de La Plata, Calle 48 y 116, La Plata (1900), Bs. As., Argentina. e-mail: [email protected] Abstract. This document presents circuit considerations that will serve as reference for constructing a Voltage Controlled Crystal Oscilator (VCXO). Basic concepts about oscillators are introduced, as well as considerations for their design and integration. Also, are shown measurement results of a discrete prototype. Resumen. Este documento presenta consideraciones que servirán como referencia para la construcción de un Oscilador a Cristal Controlado por Tensión (VCXO). Se introducen conceptos básicos de osciladores así como también consideraciones para su diseño e integración. También se muestran resultados de mediciones de un prototipo discreto. 1. INTRODUCCIÓN La importancia de los osciladores a cristal en la electrónica se debe al extremadamente alto Q, pequeño tamaño y excelente estabilidad frente a variaciones de temperatura que poseen los resonadores de cristal de cuarzo. Con el fin de diseñar un oscilador a cristal controlado por tensión (VCXO), es indispensable dar primero una reseña acerca del funcionamiento de los osciladores. Básicamente, un oscilador puede ser pensado como un sistema de lazo cerrado compuesto por un amplificador y una red de realimentación (que contendría al cristal) que determina la frecuencia de operación. En la Figura 1 se puede apreciar un esquema simplificado del sistema. Usando algebra de bloques se puede encontrar la transferencia de lazo cerrado como, v o (s) A ? v i (s ) 1 ? ? (s ) A (1) Para obtener una oscilación automantenida, debe haber salida sin excitación externa. Lo anterior es posible sólo cuando el denominador de (1) se anula. Por consiguiente la frecuencia y amplitud de oscilación deben responder a, vi(s) + A vo(s) ? (s)? Figura 1. Diagrama en bloques de un oscilador. 1 ? ? ( j? )A ? 0 (2) A esta última ecuación se la llama criterio de oscilación de Barkhausen [2]. Si el bloque de realimentación cumple con esta última condición, entonces el sistema tendrá polos de lazo cerrado sobre el eje imaginario del plano s. Para lograr que el oscilador comience a funcionar se deberá cumplir ? (j? o)A>1 (los polos de lazo cerrado se mueven un poco hacia el semiplano derecho), siendo fo = ? o/2? la frecuencia de oscilación, la amplitud de la señal de salida crecerá hasta el punto en el que las nolinealidades del amplificador hagan decrecer la ganancia de lazo a la unidad (los polos de lazo cerrado vuelven a estar sobre el eje imaginario). La frecuencia de oscilación fo se ajusta sola de manera que el desfasaje total alrededor del lazo sea de 0° o 360°. La ecuación compleja (2) se separa en parte real e imaginaria. La parte real brinda una expresión para obtener la ganancia del amplificador (o equivalentemente su transconductancia gm) requerida para la oscilación, mientras que la parte imaginaria da una expresión para obtener la reactancia del cristal necesaria para cumplir la condición de fase para la oscilación. Como el sistema resulta ser no lineal las ecuaciones, en general, no dan resultados muy exactos. Debido a esto es aconsejable hacer un diseño en forma conjunta con las ecuaciones y una contraparte experimental. Existen varios métodos para diseñar osciladores a cristal [1]. El que será uasdo aquí es el de los parámetros admitancia. Previo a comenzar con el método de diseño se obtendrá un modelo con el cual poder representar al resonador de cristal de cuarzo. 2. MODELO DEL CRISTAL DE CUARZO Un resonador de cristal de cuarzo utiliza las propiedades piezoeléctricas del cuarzo. Este se compone de un trozo de cristal ubicado entre dos electrodos. Una tensión alterna aplicada a estos electrodos produce una vibración en el cristal. Si la frecuencia de esta tensión es muy cercana a la resonancia mecánica del trozo de cuarzo, la amplitud de la vibración se vuelve muy grande. La impedancia efectiva que hay entre los electrodos depende fuertemente de la frecuencia de excitación y posee un Q extremadamente alto. Eléctricamente, el cristal de cuarzo puede ser representado por el esquemático simplificado de la Figura 2. Rc, Lc y Cc representan el cuarzo y Co representa la capacidad entre los electrodos en paralelo con la capacidad del contenedor del resonador. La inductancia Lc es una función de la masa del cuarzo mientras que Cc está relacionado con su rigidez. La resistencia Rc resulta de las pérdidas del cuarzo y del arreglo del montaje. Todos estos parámetros pueden ser medidos con bastante buena exactitud, por ejemplo con un voltímetro vectorial. En la Figura 3 se puede apreciar un gráfico de la reactancia y la resistencia equivalente del cristal en función de la frecuencia para un cristal de 2 MHz típico. La impedancia del cristal cambia tan rápidamente con la frecuencia que cualquier otro componente del circuito puede ser considerado de reactancia constante. Los valores de los elementos del modelo del cristal graficado en la Figura 3 son, (a) (b) Figura 2. (a) Representación circuital de un cristal de cuarzo; (b) Impedancia equivalente de un cristal de cuarzo. frecuencia difiere un poco de fs debido a la presencia de Co, pero para fines prácticos puede ser considerada igual. La frecuencia marcada como fL es en la cual el cristal resuena con una capacidad externa CL=50pF. Si definimos ? f = fL - fs, se puede obtener, Cc ?f ? (6) fs 2 (C o ? C L ) Por último, la frecuencia llamada fp es la frecuencia de resonancia paralelo del cristal con la 10 x 10 5 Re Xe 5 . 0 fp Rc = 153 ? ; Lc = 718 mH; Cc = 8,82 fF; Co = 7 pF Resistencia y reactancia del cristal Siendo la reactancia y la resistencia equivalente del cristal, Re ? Xe ? R cXo 2 R c ? (X c ? X o ) 2 -5 2.0002 2.0004 (3) 2 X o [R c ? X c (X c ? X o )] 2.0006 2.0008 frecuencia [Hz] 2.001 6 x 10 (a) 2 R c ? (X c ? X o ) 2 2 (4) 7000 6000 5000 1 donde: X o ? ? ? Co y Xc ? ? Lc ? 4000 3000 1 ? Cc 1/(2 ? f CL) 2000 1000 0 del cristal Reactancia Hay varias frecuencias marcadas en la figura 3-b. fs es la frecuencia a la cual el cristal es resonante serie y está dada por, fs ? 1 2? L c ? C c (5) La segunda frecuencia que se aprecia es fr, a la cual el cristal es puramente resistivo; esta .. fs fr . fL -1000 -2000 -3000 1.9993 1.9994 1.9995 1.9996 1.9997 1.9998 1.9999 frecuencia [Hz] 2 2.0001 2.0002 x 10 6 (b) Figura 3. (a) Variaciones de la resistencia y reactancia del cristal en función de la frecuencia; (b) Reactancia del cristal alrededor de la frecuencia de resonancia serie del cristal. capacidad de su contenedor Co. Esta frecuencia está dada aproximadamente por, ? Cc ? f p ? f s ?1 ? ? 2C o ? ? excepto aquel para el cual el denominador también es cero; en ese caso V es indeterminado. Sin embargo, se sabe que para que exista la oscilación V debe ser distinto de cero y por consiguiente se debe cumplir (7) Normalmente un cristal es utilizado entre la frecuencia de resonancia serie y la de resonancia paralelo de manera que su reactancia equivalente sea inductiva [1]. ADMITANCIA Se puede derivar la ecuación compleja que determina las condiciones de oscilación usando el digrama en bloques de la Figura 4, en el cual el elemento activo está representado por sus parámetros Y (o de admitancia), y la red de realimentación está representada por sus parámetros Z (o de impedancia). Planteando mallas se tiene, I = y11 V + y12 V’ I’= y21 V + y22 V’ (8) V’= -z11 I’- z12 I V = -z21 I’– z22 I Resolviendo estas ecuaciones utilizando el método de determinantes para despejar V se obtiene (9). 0 y 12 ? 1 0 0 y 22 0 ?1 0 1 z12 z11 0 0 z 22 z 21 V? (9) y 11 y 12 ? 1 0 y 22 1 0 z12 ?1 z11 1 0 z 22 z 21 El numerador de la expresión anterior es igual a cero, haciendo V = 0 para cualquier caso I I’ y11 y12 V -I z11 z12 V V’ y21 y22 z21 z22 Figura 4. Diagrama en bloques de un oscilador. y 12 ?1 0 y 21 y 22 0 ?1 0 1 1 0 z12 z 22 z11 z 21 ? 0 (10) Resolviendo este determinante se obtiene la ecuación: 3. MÉTODO DE LOS PARÁMETROS y 21 0 y 11 y21 z21 + y11 z22 + y22 z11 + y12 z12 + ? y ? z + 1 = 0 (11) donde ? y = y11 y22 – y21 y12 ? z = z11 z22 – z21 z12 Esta ecuación es muy general y puede ser aplicada a casi cualquier oscilador. Se puede representar el elemento activo por sus parámetros Y y la red de realimentación por sus parámetros Z, o viceversa. Es importante destacar que el uso de los parámetros de dos puertos implica que el amplificador es lineal. Teniendo en cuenta esto último, la ecuación (9) no puede brindar información acerca de la generación de armónicos o la limitación de la amplitud como resultado de la dependencia de los parámetros con la amplitud. Para el caso de grandes amplitudes, los parámetros Y deben ser definidos como razones de componentes fundamentales de corriente a componentes fundamentales de tensión. 4. DISEÑO DEL VCXO Los osciladores Pierce, Colpitts y Clapp [1] tienen la misma configuración circuital, pero con la tierra de señal en diferente posición. En el oscilador Pierce la tierra está en el emisor, en el Colpitts en el colector y en el Clapp en la base. En un circuito práctico las capaciadades parásitas y los resistores de polarización aparecen en paralelo de diferentes elementos para cada una de las tres configuraciones haciendo que cada una se desempeñe de distinta manera. En la Figura 5 se puede observar un esquemático que sirve para representar las tres configuraciones. Aunque hasta ahora se ha hablado de osciladores y no de osciladores controlados por tensión, el análisis también se aplicará a este caso pues para variar la frecuencia de oscilación del circuito se puede agregar un capacitor controlable por tensión, en serie con el cristal. Para lograr esto se puede utilizar un diodo varicap. También hará falta agregar una resistencia de valor elevado para separar la tensión de control y que el circuito no la considere como un cortocircuito en señal. En el presente trabajo se hará uso de la configuración Colpitts, puesto que en ella uno de los terminales del cristal está a tierra permitiendo poner el ánodo del diodo varicap directamente a dicho potencial. En la Figura 6 se pueden apreciar las consideraciones circuitales antes mencionadas. En la Figura 7 aparece el circuito utilizado en el diseño, junto con sus versiones de polarización y de señal. ? gm>> 1 RE Entonces los parámetros Y simplificados del amplificador quedan: yi ? 1 ? j? C ? r? (12-a) Cálculo de los parámetros Y del amplificador En la Figura 8 se puede observar el modelo ? -híbrido del transistor bipolar en colector común [3], incluyendo además las resistencias de polarización y de carga. Antes de comenzar haremos algunas aproximaciones para simplificar el circuito: ro y r? son de valor muy elevado, y rbb’ es de pequeño valor, por lo tanto no serán tenidas en cuenta en el diseño. El circuito simplificado aparece en la figura 8-b. Planteando mallas en el circuito simplificado de la Figura 8-b y teniendo en cuenta las siguientes simplificaciones: a) C? >>C? . b) las resistencias de polarización, por lo general se eligen de gran valor para poder considerarlas despreciables frente a la resistencia de entrada del transistor: 1 1 ? ?? r? R th 1 gm ? , pues ? o es r? ?o al menos del orden de las de las decenas. c) ? o=gmr? ? gm>> (a) (b) (c) Figura 7. Circuito del oscilador Colpitts a diseñar: (a) circuito completo; (b) circuito simplificado de polarización; (c) circuito simplificado de señal. C? (a) b Rth r? rbb’ C? R? c Figura 5. Diagrama esquemático básico de señal de los osciladores Pierce, Colpitts y Clapp. r? b c d) si RE es del orden de los k? y gm del orden de las decenas de mS ro C? RE c C? Rth Figura 6. Agregado circuital para lograr el VCXO. v? gmv? e e v? gmv? RE (b) c Figura 8. Circuito de pequeña señal del amplificador: (a) circuito completo, modelo ? -híbrido del transistor bipolar con la inclusión de las resistencias de polarización; (b) circuito simplificado de pequeña señal para el amplificador. yr ? ? 1 ? j? C ? r? (12-b) yf ? - gm - j? C? (12-c) yo ? gm + j? C? (12-d) I1 C2 Re V1 C1 ? y = yi yo – yf yr = 0 Figura 9. Red de realimentación del VCXO. Cálculo de los parámetros Z de la red de realimentación En la figura 9 está representado el circuito de la red de realimentación. z r ? z12 ? z f ? z 21 ? z o ? z 22 ? V1 I2 ? I2 ? 0 X 2 (? X e '? jR e ) Z ? I1 ? 0 V2 I1 V2 I2 ? I2 ? 0 ? I1 ? 0 Siendo: 1 Xe '? Xe ? y ? Cd X 2 (? X 1 ? X e '? jR e ) Z X 2 (? X e '? jR e ) ? zr Z ? 1 ? ?? ? j? C ? ? r? ? R e ? j(X1 ? ? ? X 2 (? X e '? jR e ) ? ? ? X 2 ? X e ') ? 0 El próximo paso es separar la ecuación compleja anterior en parte real e imaginaria. Sus parámetros Z están dados por: V1 I1 V2 Le ’ Debido a la simetría de las ecuaciones anteriores el parámetro ? y se anula. z i ? z11 ? I2 (13-a) (13-b) (13-c) (X 1 ? X 2 )(? X e '? jR e ) (13-d) Z Z = Re + j(X1+X2+Xe’) Además podemos calcular ? z como: X X ? z ? z i z o ? z f z r ? ? 1 2 2 (R e ? jX e ' ) Z Derivación de las ecuaciones de diseño Multiplicando (11) por Z y reemplazando los parámetros ya calculados, la ecuación se convierte en: ? (g m ? j? C ? )X 2 (? X e '? jR e ) ? ? 1 ? ? ?? ? j? C ? ?? (X1 ? X 2 )(? X e '? jR e ) ? ? r? ? ? (g m ? j? C ? )X 2 (? X 1 ? X e '? jR e ) ? Parte real: De la parte real, simplificando y reagrupando se obtiene: XX ' g m X1X 2 ? 1 e ? ? C ? R e X1 ? R e (14) r? El signo mayor igual aparece porque la ganancia inicial del amplificador debe ser mayor a la ganancia de oscilación estable para que el circuito comience a oscilar, como fue mencionado anteriormente. Parte imaginaria: Nuevamente, simplificando y reagrupando: R X1 ? X 2 ? X e ' ? ? e X 1 ? ? C ? X 1 X 2 ? ? C ? X 1 X e ' r? (15) Las ecuaciones obtenidas son de la forma: g m X1 X 2 ? R e ? K 1 (16) X1 ? X 2 ? X e ' ? 0 ? K 2 (17) 1 . ? C Despejando Xe’ de (15) y reemplazando en (14) se obtiene: Haciendo C1=C2=C, X 1 ? X 2 ? X ? ? g m ? R e (? C ) 2 ? 1 1 r? ? C ? ?1? ? ? C ? ? ? R C ?2? e ? ? ? r? C ? ? ? ? ? 2 C ? CR e ? ? (18) Ahora, despejando el valor de capacidad del diodo varicap de (15) se consigue la ecuación (19). Cd ? 1 1 ? Xe ? (C ? C ? ? R C ? ? 2? e ? ? ? ) ?? r? C ?? (19) Con las ecuaciones (18) y (19), el VCXO puede ser diseñado para un dado cristal, una dada capacidad C y un dado transistor. Como el circuito deberá oscilar en cierto rango de frecuencia, (18) y (19) se deberán cumplir en todo ese rango. Se puede ver de (16) que la peor condición para la elección de gm se dará a la mayor frecuencia de oscilación, por lo que todo el procedimiento siguiente se deberá realizar para la máxima frecuencia de operación. Primero, se realiza un cálculo inicial de gm con (16) considerando K1 nula. Luego, el valor obtenido de gm se utiliza para calcular los parámetros aproximados del transistor a utilizar. Con (18) se calcula un nuevo valor de gm que se utiliza para recalcular los parámetros del transistor y reemplazar otra vez en (18). Iterando de esta manera, se llega a una condición en la que gm(n+1)=gm(n). Una vez obtenido el valor de transconductancia se elige un valor gmo, que es 2 a 3 veces la calculada (ya que este valor da buenos resultados en la práctica). Ahora con la ayuda de (19) se calculan las capacidades máxima y mínima del diodo para que el circuito oscile a las frecuencias mínima y máxima, respectivamente. Con el valor de gmo obtenido se calcula la corriente de colector de polarización necesaria. Ahora, teniendo en cuenta el circuito de polarización de la Figura 8-b se pueden plantear las siguientes ecuaciones: IC [R th ? (? ? 1)R E ] ? VCC = VCE – IC RE Vth ? VBE ? (20) (21) Fijando un punto de trabajo para un dado valor de VCE y eligiendo Rth por lo menos 10 veces mayor a r? sólo restan calcular los valores de las resistencias Ra, Rb y RE (considerando una tensión de alimentación dada). Si las condiciones para la oscilación son satisfechas, la amplitud de oscilación empieza a crecer hasta que los efectos no lineales reducen la ganancia efectiva del lazo a la unidad. En un oscilador a transistor, la nolinealidad predominante ocurre debido al corte de la juntura base-emisor durante parte del ciclo. Bajo ciertas condiciones de polarización puede ocurrir la saturación de colector. Generalmente, la saturación de colector tiende a incrementar la dependencia del oscilador con la tensión de alimentación y por consiguiente se trata de evitar [1]. Una vez que el circuito esté oscilando de manera estable, la transconductancia de gran señal (definida como razón de componentes fundamentales de corriente y tensión) será igual al gm calculado. Con 0 10 o m /m g -1 10 Factor de transconductancia g -2 10 10 -1 0 10 10 1 10 2 V=qE/(kT) Figura 10. Relación entre la transconductancia de gran señal y la de pequeña señal. la transconductancia de pequeña señal requerida para la oscilación gm y la de pequeña señal inicial gmo (2 a 3 veces gm) se puede calcular la razón gm/gmo y obtener de la Figura 10 la tensión base-emisor normalizada V, considerando que se produce el corte de la juntura base-emisor durante parte del ciclo. La tensión base-emisor es E=V kT/q (siendo kT/q=26mV a 25°C). La curva de la Figura 10 responde a la ecuación: gm 2 ? I1 (V ) ? g mo V ? I 0 (V ) En la ecuación anterior Ii representan funciones de Bessel modificadas de primer tipo [1]. Una vez obtenida la tensión en la base es fácil obtener la tensión en las otras partes del circuito. Si el oscilador estuviera polarizado de manera de producir limitación por colector, la tensión de salida puede ser determinada construyendo una recta de carga como se muestra en la Figura 11. La tensión de salida será, aproximadamente, V1 o V2, la menor de las dos. IC Q V1 V2 VCE Figura 11. Predicción de la tensión de salida del oscilador a partir del punto de trabajo del transistor Q y de la recta de carga. 6. CONSIDERACIONES PARA LA INTEGRACIÓN En vistas a implementar un VCXO en forma integrada, varios factores deben ser tenidos en cuenta. Como una primera consideración, los límites máximos para resistencias y capacitores integrados está en el orden de los 100k? y 100pF, respectivamente. Las resistencias pueden ser sintetizadas usando un Layer especial de polisilicio de alto grado óhmico (HIPO) en las tecnologías que lo posean. También pueden ser integradas con el Layer de Pozo (R?? 2k? / ?). Los capacitores pueden ser construídos por la superposición de 2 Layers de metal o de polisilicio. Otro aspecto de importancia son las dimensiones del transistor usado en este tipo de configuración. En virtud de que la transconductancia de los BJT es aproximadamente un orden de magnitud mayor que la de los MOST, quizás sea conveniente el uso del primer tipo de transistor. Como contraparte, el costo de las tecnologías BJT o BiCMOS son elevados cuando son comparados frente al costo de una tecnología MOS. Mas aún, el poder integrar en tecnología MOS habilita al circuito a poder formar parte de estrcucturas mixtas (analógico-digitales) MOS, como es la tendencia actual. La topología empleada es similar en el caso de un circuito realizado enteramente en MOS, pero teniendo en cuenta ahora la expresión cuadrática de los mencionados dispositivos. Si se usan MOST en conducción subumbral, los resultados teóricos obtenidos se mantienen sin cambio, en virtud de la característica exponencial de los dispositivos en esta zona de operación. A fin de conformar el diodo varicap, una juntura inversamente polarizada puede ser utilizada, por lo que su construcción no reviste mayor inconveniente a la hora de elegir una tecnología de integración. (a) (b) Figura 12. Pantallas de osciloscopio mostrando la salida del protoptipo discreto de VCXO: (a) frecuencia 2MHz; (b) frecuencia 2,0004MHz. hace para la mayor frecuencia de operación por lo que para la menor frecuencia, el valor de transconductancia está sobredimensionado y debido a esto el contenido armónico será mayor [1]. Sin embargo, es usual colocar un comparador a la salida del circuito de manera de salvar esta diferencia en la forma de onda al variar la frecuencia, así como también eliminar toda modulación de amplitud. 7. RESULTADOS EXPERIMENTALES 8. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO A fin de validar el procedimiento de diseño presentado, a continuación se muestran los resultados obtenidos con la implementación de un prototipo discreto. Para la obtención de los valores de los dispositivos empleados, un software de uso comercial fue usado a fin de implementar el algoritmo descripto en el item 4. En la Figura 12 es mostrada la salida del circuito trabajando a dos frecuencias distintas, usando el cristal de la Figura 3. Los valores calculados se corresponden bien con los obtenidos experimentalmente. En la mencionada Figura se puede apreciar que para la mayor de las frecuencias la forma de onda es más similar a una sinusoide. Esto se debe a que la elección de la transconductancia se El análisis de un VCXO ha sido presentado. El proceso de aproximaciones para el cálculo de los dispositivos, en forma iterativa, demuestra ser eficiente. Aunque el diseño explicado en el item 4 es para un caso particular (con sus respectivas aproximaciones), el procedimiento no pierde generalidad para otro tipo de dispositivo o tecnología. Resultados obtenidos de un prototipo discreto son dados validando lo anterior. Trabajo futuro es la integracion en silicio de 2 prototipos en tecnología MOS de bajo costo: uno trabajando en inversión débil, con propósitos de baja potencia consumida, y otro para mayor frecuencia de operación con los MOST trabajando en el régimen de inversión fuerte. 9. AGRADECIMIENTOS Agradezco a los Ing. Hugo Lorente y Gerardo Sager por su ayuda y colaboración para que este trabajo pudiera ser realizado. Quiero hacer un agradecimiento especial a José Luis Ceballos por su apoyo y ayuda con respecto de las consideraciones de integración. 10. REFERENCIAS [1] Frerking, Marvin. “Crystal oscillator design and temperature compensation”, Van Nostrand Reinhold Company, 1978. [2] Strauss, Leonard. “Wave Generation and Shaping”, Mc Graw Hill Book Company, 1960. [3] Ph.D. Millman, Jacob. Sc.D. Grabel, Arvin. “Microelectrónica”, Editorial Hispano Europea, 1991.