সার্কিট টাইমিং হল মাইক্রোকন্ট্রোলার, ইউএসবি, ইথারনেট, ওয়াই-ফাই, এবং ব্লুটুথ ইন্টারফেস, সেইসাথে কম্পিউটিং ডিভাইস এবং পেরিফেরাল, চিকিৎসা ডিভাইস, পরীক্ষা ও পরিমাপ সরঞ্জাম, শিল্প নিয়ন্ত্রণ এবং অটোমেশন, ইন্টারনেট অফ থিংস (IoT), পরিধানযোগ্য ডিভাইস এবং ইলেকট্রনিক ডিভাইস সহ অনেক ইলেকট্রনিক ডিভাইসের জন্য প্রয়োজনীয় একটি গুরুত্বপূর্ণ ফাংশন। সিস্টেম টাইমিং প্রদানের জন্য একটি ক্রিস্টাল-নিয়ন্ত্রিত অসিলেটর ডিজাইন করার সময় প্রাথমিকভাবে সহজবোধ্য মনে হতে পারে, অসিলেটর IC-এর সাথে কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল মেলে ডিজাইনারদের অবশ্যই অনেক প্যারামিটার এবং ডিজাইনের প্রয়োজনীয়তা বিবেচনা করতে হবে।
ক্রিস্টাল মোশন ইম্পিডেন্স, রেজোন্যান্স মোড, ড্রাইভ পাওয়ার এবং অসিলেটর নেগেটিভ রেজিস্ট্যান্স সহ বেশ কিছু বিষয় বিবেচনা করতে হবে। সার্কিট বিন্যাসের পরিপ্রেক্ষিতে, ডিজাইনারদের অবশ্যই PCB পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্সের জন্য হিসাব করতে হবে, ক্রিস্টালের চারপাশে একটি প্রতিরক্ষামূলক ব্যান্ড যোগ করতে হবে এবং চিপ ক্যাপাসিটারগুলিতে অন্তর্ভুক্ত করতে হবে। চূড়ান্ত নকশা অবশ্যই কমপ্যাক্ট এবং নির্ভরযোগ্য হতে হবে, সবচেয়ে কম উপাদান, লো রুট গড় স্কয়ার (RMS) ঝাঁকুনি এবং বিস্তৃত ইনপুট ভোল্টেজ পরিসীমা জুড়ে সর্বনিম্ন বিদ্যুৎ খরচ।
একটি সাধারণ প্যাকেজড ক্রিস্টাল অসিলেটর (SPXO) একটি সমাধান। এই অবিচ্ছিন্ন ভোল্টেজ অসিলেটরগুলি কম বিদ্যুত খরচ এবং কম RMS জীটারের জন্য অপ্টিমাইজ করা হয়েছে এবং 1.60 V এবং 3.60 V এর মধ্যে যে কোনও ভোল্টেজে কাজ করতে পারে, ডিজাইনারদের এমন একটি সমাধান অর্জন করতে সক্ষম করে যা ন্যূনতম ডিজাইনের প্রচেষ্টার সাথে সিস্টেমে একীভূত করা যেতে পারে।
এই নিবন্ধটি সংক্ষিপ্তভাবে কিছু গুরুত্বপূর্ণ পারফরম্যান্স প্রয়োজনীয়তা সম্পর্কে আলোচনা করবে যা অবশ্যই পূরণ করতে হবে এবং বিচ্ছিন্ন কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল এবং টাইমিং আইসি ব্যবহার করে টাইমিং সার্কিট ডিজাইন করার সময় যে চ্যালেঞ্জগুলি অবশ্যই কাটিয়ে উঠতে হবে। এটি তখন Abracon এর SPXO সমাধানগুলি প্রবর্তন করবে এবং ব্যাখ্যা করবে কিভাবে ডিজাইনাররা ইলেকট্রনিক সিস্টেমের সময়ের প্রয়োজনীয়তাগুলি কার্যকরভাবে মেটাতে এই ডিভাইসগুলি ব্যবহার করতে পারে৷
ক্রিস্টাল অসিলেটর অপারেশন এবং ডিজাইন চ্যালেঞ্জ
ছোট ব্যাটারি চালিত ওয়্যারলেস ডিভাইসের জন্য পাওয়ার খরচ একটি গুরুত্বপূর্ণ বিবেচ্য। এই ধরনের অনেক ডিভাইসই আল্ট্রা-লো-পাওয়ার সিস্টেম-অন-চিপ (SoC) রেডিও এবং প্রসেসরের উপর ভিত্তি করে তৈরি যা কয়েক বছর ধরে ব্যাটারি লাইফকে সমর্থন করতে পারে। উপরন্তু, যেহেতু ব্যাটারিটি প্রায়শই সিস্টেমের সবচেয়ে ব্যয়বহুল উপাদান, তাই ডিভাইসের খরচ নিয়ন্ত্রণের জন্য এর আকার ছোট করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এটি বলেছে, স্ট্যান্ডবাই কারেন্ট প্রায়শই ছোট বেতার সিস্টেমে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ ব্যাটারি লাইফ বিবেচনা করে এবং স্ট্যান্ডবাই কারেন্ট প্রায়শই ঘড়ির অসিলেটর দ্বারা প্রভাবিত হয়। অতএব, অসিলেটরের বর্তমান খরচ কমিয়ে আনা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
দুর্ভাগ্যবশত, একটি কম-পাওয়ার অসিলেটর ডিজাইন করা চ্যালেঞ্জিং হতে পারে। শক্তি সঞ্চয় করার একটি পদ্ধতি হল "অক্ষম" অবস্থায় প্রবেশ করে স্ট্যান্ডবাই কারেন্ট কমিয়ে আনা এবং প্রয়োজনে অসিলেটর চালু করা। যাইহোক, দ্রুত এবং নির্ভরযোগ্যভাবে শুরু করার জন্য একটি ক্রিস্টাল অসিলেটর প্রয়োজন কোন সহজ কাজ নয়। ডিজাইনারদের অবশ্যই নিশ্চিত করতে হবে যে স্ট্যান্ডবাই চলাকালীন অসিলেটর একটি কম-বর্তমান অবস্থায় থাকে এবং সমস্ত অপারেটিং এবং পরিবেশগত অবস্থার অধীনে নির্ভরযোগ্য স্টার্টআপ বৈশিষ্ট্য রয়েছে৷
পিয়ার্স অসিলেটর কনফিগারেশন সাধারণত কম -পাওয়ার ওয়্যারলেস SoC-তে পাওয়া যায় (চিত্র 1)। পিয়ার্স অসিলেটরটি একটি ক্রিস্টাল (X) এবং লোড ক্যাপাসিটর (C1 এবং C2) ব্যবহার করে তৈরি করা হয়েছে, যার চারপাশে একটি অভ্যন্তরীণ প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধক সহ একটি ইনভার্টিং পরিবর্ধক দ্বারা বেষ্টিত। উপযুক্ত অবস্থার অধীনে, যখন পরিবর্ধকের আউটপুট ইনপুটে ফেরত দেওয়া হয়, তখন একটি নেতিবাচক প্রতিরোধের সৃষ্টি হয়, যা দোলনের দিকে পরিচালিত করে।
চিত্র 1: ক্রিস্টাল (X) এবং লোড ক্যাপাসিটর C1 এবং C2 এর চারপাশে নির্মিত বেসিক পিয়ার্স অসিলেটর কনফিগারেশন।
স্ফটিক গঠন জটিল; এই আলোচনাটি শুধুমাত্র উপরের স্তর এবং অসিলেটরে অপারেটিং স্ফটিকগুলির সরলীকৃত কাঠামোকে কভার করে।
ক্লোজড-লুপ গেইন মার্জিন Gm একটি ফিগার অফ মেরিট (FOM) হিসাবে ব্যবহার করা যেতে পারে বিভিন্ন ক্ষতির সাথে সম্পর্কিত একটি অসিলেটরের নির্ভরযোগ্যতা বর্ণনা করতে। ক্লোজড-লুপ গেইন মার্জিনকেও দোলন মার্জিন (OA) বলা হয়। 5-এর নিচের OA মান কম উৎপাদন থ্রুপুট এবং তাপমাত্রা-সম্পর্কিত স্টার্টআপ সমস্যার দিকে নিয়ে যেতে পারে। 20 বা তার বেশি একটি OA মান সহ ডিজাইনগুলি মজবুত এবং টেকসই, ডিজাইন অপারেটিং তাপমাত্রা সীমার মধ্যে নির্ভরযোগ্যভাবে কাজ করে এবং ক্রিস্টাল এবং SoC কর্মক্ষমতা বৈশিষ্ট্যের উপর বিভিন্ন উত্পাদন ব্যাচ থেকে ন্যূনতম প্রভাব প্রদর্শন করে।
অসিলেটরের OA পরিমাপ করতে, সার্কিটে একটি পরিবর্তনশীল প্রতিরোধক Ra যোগ করা যেতে পারে (চিত্র 2)। অসিলেটর শুরু না হওয়া পর্যন্ত Ra মান বাড়ান। এটি OA মান নির্ধারণের জন্য ব্যবহৃত পদ্ধতি, যা নীচে দেখানো হয়েছে:
সমীকরণ 1
কোথায়:
Rn হল নেতিবাচক প্রতিরোধ
Re হল সমতুল্য সিরিজ রেজিস্ট্যান্স (ESR)।
সমীকরণ 2
সমীকরণ 3
যেখানে লোড ক্যাপাসিট্যান্স CL নিম্নরূপ গণনা করা হয়:
সমীকরণ 4
যেখানে Cs হল সার্কিটের পরিবর্তনশীল ক্যাপাসিটর, যার ক্যাপাসিট্যান্স মান সাধারণত 3.0 এবং 5.0 pF এর মধ্যে থাকে।
চিত্র 2: দোলন মার্জিন পরিমাপ করতে ব্যবহৃত বর্ধিত স্ফটিক মডেল (মাঝের বাক্স) এবং সামঞ্জস্যযোগ্য প্রতিরোধক (Ra) দেখায়।
OA নির্ভর করে ESR (Re), এবং ESR নির্ভর করে কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল প্যারামিটার Rm এবং লোড ক্যাপাসিট্যান্স CL এর উপর। কম-পাওয়ার অসিলেটরগুলির জন্য, যেমন কম-শক্তির ওয়্যারলেস ডিভাইসে ব্যবহৃত হয়, OA-তে Rm এবং CL-এর প্রভাব বৃদ্ধি পায়। OA পরিমাপ করা সময়সাপেক্ষ-এবং উন্নয়ন প্রক্রিয়াকে দীর্ঘায়িত করতে পারে। অতএব, এই কাজটি অবহেলিত হতে পারে, যার ফলে সিস্টেম বা ডিভাইসটি উৎপাদন করা হলে কর্মক্ষমতার সমস্যা দেখা দেয়।
উপরন্তু, নির্ভরযোগ্য অসিলেটর অপারেশন নিশ্চিত করতে একটি উচ্চ OA সেট করলে অন্যান্য সমস্যা হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, যখন একটি উচ্চতর OA অসিলেটর সার্কিট কর্মক্ষমতা উন্নত করে, এটি ক্রিস্টাল দ্বারা সৃষ্ট বিদ্যুতের ক্ষতি উপেক্ষা করতে পারে। এই ধরনের ক্ষতি একটি উল্লেখযোগ্য ফ্যাক্টর হতে পারে. চিত্র 2 উল্লেখ করে, ক্রিস্টালের গতি প্রতিরোধের Rm শক্তির অপচয় ঘটায় কারণ রোধের মধ্য দিয়ে পর্যায়ক্রমে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয়। যখন CL বড় হয়, তখন এটি বর্তমান এবং ক্ষতি উভয়ই বৃদ্ধি করে। অতএব, ডিজাইনারদের একটি যুক্তিসঙ্গত OA মানের সাথে ক্রিস্টাল পাওয়ার লসের ভারসাম্য বজায় রাখতে হবে।
ঝগড়া এড়ানো
একটি কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল অসিলেটর ডিজাইন করার সময়, এটি বোঝা এবং জীটার হ্রাস করা গুরুত্বপূর্ণ। জিটারের দুটি প্রকার রয়েছে, সাধারণত রুট গড় বর্গ (RMS) মান দ্বারা পরিমাপ করা হয়:
পিরিয়ড জিটার: ফেজ জিটার নামেও পরিচিত, এটি বেশ কয়েকটি পরিমাপিত দোলন পিরিয়ডের মধ্যে সর্বাধিক সময়ের পার্থক্যকে বোঝায়, সাধারণত কমপক্ষে 10 পিরিয়ডের মধ্যে পরিমাপ করা হয়।
সাইকেল জিটার: এটি একটি ঘড়ির প্রান্তে সর্বাধিক বৈচিত্র্য, যা একাধিক চক্রের পরিবর্তে প্রতিটি চক্রের জন্য পরিমাপ করা হয়।
কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল অসিলেটরগুলিতে জিটারের প্রাথমিক উত্সগুলির মধ্যে রয়েছে পাওয়ার সাপ্লাই নয়েজ, সিগন্যাল ফ্রিকোয়েন্সির পূর্ণসংখ্যা হারমোনিক্স, অনুপযুক্ত লোডিং এবং সমাপ্তির অবস্থা, পরিবর্ধক শব্দ এবং নির্দিষ্ট সার্কিট কনফিগারেশন। উৎসের উপর নির্ভর করে, ঝাঁকুনি কমানোর জন্য বিভিন্ন পদ্ধতি ব্যবহার করা যেতে পারে।
পাওয়ার সাপ্লাই শব্দ নিয়ন্ত্রণ করতে বাইপাস ক্যাপাসিটর, চিপ ইন্ডাক্টর, বা রেসিস্টর-ক্যাপাসিটর (আরসি) ফিল্টার ব্যবহার করুন।
অত্যন্ত কম জিটারের প্রয়োজন হয় এমন সমালোচনামূলক অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে, হারমোনিক্স নিয়ন্ত্রণ করার জন্য একটি পদ্ধতি প্রতিষ্ঠা করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ (এই নিবন্ধের সুযোগের বাইরে)।
লোড এবং সমাপ্তির শর্তগুলি অপ্টিমাইজ করে আউটপুটে প্রতিফলিত শক্তি হ্রাস করুন।
এমন ডিজাইন এড়িয়ে চলুন যাতে ফেজ-লক করা লুপ, মাল্টিপ্লায়ার, বা প্রোগ্রামেবল ফাংশন অন্তর্ভুক্ত থাকে, কারণ তারা প্রায়শই জিটার বাড়ায়।
ক্রমাগত ভোল্টেজ ক্রিস্টাল অসিলেটর
Abracon এর ASADV, ASDDV, এবং ASEDV SPXO ব্যবহার করা সিস্টেম ডিজাইন করার জন্য সুবিধাজনক যেখানে বায়াস ভোল্টেজ 1.60 এবং 3.60 V (চিত্র 3) এর মধ্যে পরিবর্তিত হয়। SPXO সিরিজ বিভিন্ন ফ্রিকোয়েন্সি রেঞ্জ কভার করে; ASADV ডিভাইসগুলি 1.25 MHz থেকে 100 MHz পর্যন্ত ফ্রিকোয়েন্সিতে কাজ করে, যখন ASDDV এবং ASEDV ডিভাইসগুলি 1 MHz থেকে 160 MHz পর্যন্ত কাজ করে। সিরিজটি RoHS/RoHS II মান মেনে চলে এবং সিল করা সিরামিক সারফেস-মাউন্ট ডিভাইস (SMD) প্যাকেজিং ব্যবহার করে। অপারেটিং তাপমাত্রা -40 ডিগ্রি থেকে +85 ডিগ্রির মধ্যে, সিরিজটি ±25 পিপিএম ফ্রিকোয়েন্সি স্থিতিশীলতা অর্জন করে।
OA নির্ভর করে ESR (Re), এবং ESR নির্ভর করে কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল প্যারামিটার Rm এবং লোড ক্যাপাসিট্যান্স CL এর উপর। কম-পাওয়ার অসিলেটরগুলির জন্য, যেমন কম-শক্তির ওয়্যারলেস ডিভাইসে ব্যবহৃত হয়, OA-তে Rm এবং CL-এর প্রভাব বৃদ্ধি পায়। OA পরিমাপ করা সময়সাপেক্ষ-এবং উন্নয়ন প্রক্রিয়াকে দীর্ঘায়িত করতে পারে। অতএব, এই কাজটি অবহেলিত হতে পারে, যার ফলে সিস্টেম বা ডিভাইসটি উৎপাদন করা হলে কর্মক্ষমতার সমস্যা দেখা দেয়।
উপরন্তু, নির্ভরযোগ্য অসিলেটর অপারেশন নিশ্চিত করতে একটি উচ্চ OA সেট করলে অন্যান্য সমস্যা হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, যখন একটি উচ্চতর OA অসিলেটর সার্কিট কর্মক্ষমতা উন্নত করে, এটি ক্রিস্টাল দ্বারা সৃষ্ট বিদ্যুতের ক্ষতি উপেক্ষা করতে পারে। এই ধরনের ক্ষতি একটি উল্লেখযোগ্য ফ্যাক্টর হতে পারে. চিত্র 2 উল্লেখ করে, ক্রিস্টালের গতি প্রতিরোধের Rm শক্তির অপচয় ঘটায় কারণ রোধের মধ্য দিয়ে পর্যায়ক্রমে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয়। যখন CL বড় হয়, তখন এটি বর্তমান এবং ক্ষতি উভয়ই বৃদ্ধি করে। অতএব, ডিজাইনারদের একটি যুক্তিসঙ্গত OA মানের সাথে ক্রিস্টাল পাওয়ার লসের ভারসাম্য বজায় রাখতে হবে।
ঝগড়া এড়ানো
একটি কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল অসিলেটর ডিজাইন করার সময়, এটি বোঝা এবং জীটার হ্রাস করা গুরুত্বপূর্ণ। জিটারের দুটি প্রকার রয়েছে, সাধারণত রুট গড় বর্গ (RMS) মান দ্বারা পরিমাপ করা হয়:
পিরিয়ড জিটার: ফেজ জিটার নামেও পরিচিত, এটি বেশ কয়েকটি পরিমাপিত দোলন পিরিয়ডের মধ্যে সর্বাধিক সময়ের পার্থক্যকে বোঝায়, সাধারণত কমপক্ষে 10 পিরিয়ডের মধ্যে পরিমাপ করা হয়।
সাইকেল জিটার: এটি একটি ঘড়ির প্রান্তে সর্বাধিক বৈচিত্র্য, যা একাধিক চক্রের পরিবর্তে প্রতিটি চক্রের জন্য পরিমাপ করা হয়।
কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল অসিলেটরগুলিতে জিটারের প্রাথমিক উত্সগুলির মধ্যে রয়েছে পাওয়ার সাপ্লাই নয়েজ, সিগন্যাল ফ্রিকোয়েন্সির পূর্ণসংখ্যা হারমোনিক্স, অনুপযুক্ত লোডিং এবং সমাপ্তির অবস্থা, পরিবর্ধক শব্দ এবং নির্দিষ্ট সার্কিট কনফিগারেশন। উৎসের উপর নির্ভর করে, ঝাঁকুনি কমানোর জন্য বিভিন্ন পদ্ধতি ব্যবহার করা যেতে পারে।
পাওয়ার সাপ্লাই শব্দ নিয়ন্ত্রণ করতে বাইপাস ক্যাপাসিটর, চিপ ইন্ডাক্টর, বা রেসিস্টর-ক্যাপাসিটর (আরসি) ফিল্টার ব্যবহার করুন।
অত্যন্ত কম জিটারের প্রয়োজন হয় এমন সমালোচনামূলক অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে, হারমোনিক্স নিয়ন্ত্রণ করার জন্য একটি পদ্ধতি প্রতিষ্ঠা করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ (এই নিবন্ধের সুযোগের বাইরে)।
লোড এবং সমাপ্তির শর্তগুলি অপ্টিমাইজ করে আউটপুটে প্রতিফলিত শক্তি হ্রাস করুন।
এমন ডিজাইন এড়িয়ে চলুন যাতে ফেজ-লক করা লুপ, মাল্টিপ্লায়ার, বা প্রোগ্রামেবল ফাংশন অন্তর্ভুক্ত থাকে, কারণ তারা প্রায়শই জিটার বাড়ায়।
সারাংশ
ডিজাইনারদের বিস্তৃত অ্যাপ্লিকেশন এবং অপারেটিং তাপমাত্রায় স্থিতিশীল সময় প্রদানের জন্য সঠিক এবং নির্ভরযোগ্য অসিলেটর প্রয়োজন। বিচ্ছিন্ন ক্রিস্টাল-নিয়ন্ত্রিত অসিলেটরগুলি প্রয়োজনীয় কার্যকারিতা বৈশিষ্ট্যগুলি পূরণ করতে পারে, তবে ক্রিস্টালগুলি ব্যবহার করে কার্যকরভাবে ডিজাইন করা প্রযুক্তিগতভাবে চ্যালেঞ্জিং, যা সময়সাপেক্ষ-এবং এর ফলে অপ্রয়োজনীয় খরচ হয়৷ উপরন্তু, তারা ফর্ম ফ্যাক্টরের ক্ষেত্রে সর্বোত্তম পছন্দ নয়।
চিত্রে দেখানো হয়েছে, ডিজাইনাররা কম-শক্তি সমন্বিত SPXO ব্যবহার করতে পারেন। এই SPXOগুলি একটি প্রস্তুত-ব্যবহার করার জন্য-সময় সমাধান তৈরি করে, একটি খুব বিস্তৃত অপারেটিং তাপমাত্রা পরিসীমা জুড়ে চমৎকার ফ্রিকোয়েন্সি স্থিতিশীলতা অর্জন করে। SPXOs ব্যবহার করে, ডিজাইনাররা উপাদানের সংখ্যা কমাতে পারে, সমাধানের আকার কমাতে পারে, সমাবেশের খরচ কম করতে পারে এবং নির্ভরযোগ্যতা বাড়াতে পারে।