¿Por qué se sugiere alimentar XO con LDO?

He leído en varios lugares que los circuitos integrados de osciladores de cristal requieren una potencia muy limpia (a diferencia, por ejemplo, de su riel habitual de 3,3 V de algún regulador de conmutación) y una forma de lograrlo fue a través de LDO. ( Ref1 )

Sin embargo, lo único que realmente logran los LDO es estabilizar el voltaje contra variaciones de baja frecuencia, tal vez hasta varias decenas o cien de kHz. En contraste, los XO normalmente funcionan a 10s de MHz, donde la mayoría de los LDO son completamente ineficientes para limpiar cualquier cosa. De todos modos, se utilizan condensadores o filtros LC alrededor de las XO para proporcionar una impedancia de suministro suficientemente baja a la frecuencia de conmutación. Para ser claros, sí, la hoja de datos de LDO afirma un alto rechazo a 10 MHz con límites de salida adecuados, pero esto no se debe al rechazo activo, sino al filtro pasivo formado por el límite de salida. Es probable que un filtro LC pasivo logre un mejor rechazo a 10 MHz que LDO + límite de salida.

La única razón a favor de alimentar XO a través de LDO sería que su frecuencia dependiera apreciablemente de la tensión de alimentación. Sin embargo, este no parece ser el caso, como se muestra, por ejemplo, en esta hoja de datos de Abracon. Algo así como una ondulación de baja frecuencia de 100 mV (que los LDO pueden limpiar bien) causaría solo una desviación de frecuencia de 0,1 ppm, si es que lo hace.

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Estoy un poco desconcertado por la referencia 1 anterior. Muestra cómo las variaciones de baja frecuencia de Vdd causan el correspondiente ruido de fase de baja frecuencia, pero ¿cómo? ¿No tendría que cambiar la frecuencia del oscilador para causar ruido de fase? ¿O ese par de ppb de desviación de frecuencia es suficiente para causar el exceso de ruido de fase? 0.1 ppm de 10 MHz solo podría causar ruido de fase con un desplazamiento de hasta 1 Hz si lo entiendo correctamente (probablemente no).

La aplicación que tengo en mente es para un ADC de precisión (no RF). Por lo tanto, el ruido de fase cercana entre 10 Hz y 100 kHz es especialmente relevante.

Entonces, ¿cuál es el beneficio de alimentar un XO a través de un LDO (más condensadores alrededor del XO) en lugar de un filtro LC básico que permite que toda la onda de baja frecuencia llegue al XO?

Puede obtener -50dB a 10MHz con una carga ligera y un límite de salida adecuado, ¿lo considera "completamente ineficiente para limpiar cualquier cosa"?
He leído en varios lugares que los circuitos integrados de osciladores de cristal requieren energía muy limpia. ¿ Dónde leíste eso? Muestra uno o más ejemplos. Los osciladores Xtal se utilizan en casi todas partes. En muchos dispositivos como computadoras portátiles y microondas, dudo que el reloj deba estar tan "limpio" (sin fluctuaciones). Solo en ciertas aplicaciones, por ejemplo, cuando un transceptor de radio usa el Xtal osc. como frecuencia de referencia, ¿estoy de acuerdo en que se necesita un reloj limpio?
La amplitud también importa, y al estabilizar el voltaje de suministro, el LDO lo estabiliza. Cualquier desviación de una onda cuadrada perfecta y la variación de amplitud se traduce en una variación de fase (inestabilidad de tiempo).
Ese artículo de TI se relaciona con el uso de osciladores Xtal en sintetizadores que se usan para generar señales LO en transceptores (de radio), tal como lo mencioné. No, eso no contradice la imagen, la imagen muestra variaciones de frecuencia sobre el voltaje de suministro y esa es exactamente la razón por la cual el suministro debe ser estable. No veo contradicción, solo confirmación. Los sintetizadores multiplican la frecuencia de la XO por un cierto factor. Por ejemplo, 2,5 GHz / 10 MHz = 250. Si tiene una variación de 10 Hz en sus 10 MHz, que luego se convierte a 2,5 kHz, lo que dañará el rendimiento del transceptor.
... a 10 Hz, un LDO es muy efectivo, existen condensadores que son muy efectivos para filtrar 10 Hz, pero a menudo son muy grandes .
Esto es lo opuesto a la alimentación desde un regulador de conmutación donde el propio ruido de conmutación del regulador podría quedar atrapado por las partes de RF. Si solo está haciendo ADC de alta precisión, entonces no es tan importante tener un reloj limpio sino un Vref limpio. Y los circuitos integrados de referencia de voltaje especializados que puede usar para eso a menudo son solo un LDO de bajo ruido disfrazado.
@Lundin sí, terminé derivando un voltaje de la referencia analógica + búfer opamp como suministro para el XO. El ruido de fase bajo es definitivamente esencial para ADC de precisión si no solo están destinados a detectar CC sino CA a frecuencias> kHz.

Respuestas (2)

Su fuente de alimentación solo necesita estar tan limpia como lo exija su aplicación.

Si su XO está manejando una MCU, entonces puede salirse con la suya prácticamente con cualquier cosa. Si es parte de un sintetizador de RF de bajo ruido, entonces tienes que ensuciarte las manos.

Todos los osciladores tienen un rendimiento de "empuje", que puede especificarse o no. Es el delta (frecuencia)/delta (Vcc). Un buen oscilador puede tolerar una fuente de alimentación ruidosa y un oscilador deficiente puede requerir una fuente silenciosa.

Los 'LDO's son muy diferentes en su rendimiento de ruido, y no siempre es fácil interpretar las hojas de datos para ver para qué están realmente especificados. Sugerencia: si no se especifica el ruido, probablemente sea malo. Esté preparado para buscar en una gran cantidad de hojas de datos para encontrar una tranquila, hay algunas por ahí.

No hay LDO que venza a un filtro final de 'C grande' de la fuente de alimentación antes de que llegue al oscilador, al menos para compensaciones de 1 kHz +.

Como regla general, para evitar el diseño excesivo, cree su prototipo con LDO estándar y filtros mínimos. Entonces pruébalo. Luego solucione los problemas que necesiten solucionarse. Si comienza con el LDO de ruido más bajo disponible y grandes límites en su línea de suministro de energía, entonces puede tener éxito, pero nunca sabrá si podría haberse salido con la suya con algo más barato. Pero depende de si está haciendo uno o un millón, si esa ruta será más barata en general.

Gracias por la respuesta, Neil, he agregado dos párrafos debajo de la imagen para explicar un poco sobre la aplicación.
@tobalt mi respuesta no ha cambiado, depende críticamente de las especificaciones. Sin embargo, como su razonamiento en esos 3 párrafos finales es defectuoso, no estoy seguro de que pueda aplicarlos. Así que haga un prototipo, pruébelo, mejórelo.
Entonces, ¿es incorrecto que una variación de frecuencia de 1 Hz cause ruido de fase solo compensado por 1 Hz, si la modulación de frecuencia en sí ocurre más rápido que 1 Hz? Parece que tengo que hacer algunas simulaciones del ruido de fase para entenderlo mejor. :)2
@tobalt Sí, la variación de 1 Hz es la profundidad de la modulación. Si esa modificación de 1 Hz ocurre a una velocidad de 1 kHz, entonces la compensación de ruido de fase es de 1 kHz. La profundidad de cualquier ruido de fase en el XO se reducirá por la relación entre la frecuencia del XO y la frecuencia de la señal, pero seguirá apareciendo con el mismo desplazamiento. Entonces, si tiene un XO de 10 MHz sincronizando el ADC, y está muestreando una señal de 10 kHz, la señal tendrá 60 dB menos de ruido de fase debido al ruido de fase XO que el XO. El ruido de fase probablemente estará dominado por otras cosas. Siempre me ha sorprendido probar un prototipo.
Después de ver los efectos de las pequeñas variaciones de frecuencia muy por debajo de 1 Hz en el espectro de ruido de fase con mis propios ojos en la simulación, tengo una opinión muy diferente sobre la necesidad de la estabilidad del suministro de baja frecuencia. Gracias por pincharme.

Con respecto a su edición, como señaló @ user_1818839, a menos que tenga una onda cuadrada perfecta (ancho de banda infinito), cambiar la amplitud también cambia la fase incluso a una frecuencia constante. Esto se debe a que el momento en que cruza el voltaje de umbral entre 0 y 1 cambiará si cambia la amplitud. Si pudiera tener un ancho de banda infinito, entonces el borde de la onda cuadrada es vertical y este no es el caso. Sin embargo, siempre tiene un ancho de banda finito, por lo que debe mantener su voltaje lo más estable posible. De lo contrario, si su amplitud oscila hacia arriba y hacia abajo, también lo hace la fase que detecta.

Con respecto a por qué usaría un LDO, su capacidad para rechazar el ruido de baja frecuencia puede ser muy alta, 50, 60, 70 dB se afirma en muchas hojas de datos. Por el contrario, un filtro RC con un tamaño razonable no será muy bueno para esto. Por lo tanto, realmente desea ambos, al menos en aplicaciones donde un reloj estable es importante.

Gracias. Todavía tengo un pequeño problema para comprender completamente cómo la modulación de amplitud generaría ruido en fase... Entiendo su razonamiento, pero tendré que simularlo para ver el resultado cuantitativo. Estoy totalmente de acuerdo en que un regulador lineal es ideal para rechazar la variación de Vdd de baja frecuencia. Solo tengo problemas para ver por qué eso sería tan importante para el ruido de fase de un XO.
Ahora pude reproducir el efecto en la simulación. Una pequeña variación de tensión de alimentación en F metro o d dará lugar a un desplazamiento de la banda lateral de la frecuencia del oscilador por F metro o d . Sin embargo, el efecto dominante parece ser la pequeña variación de frecuencia causada por la variación del suministro, incluso si esta variación de frecuencia es << 1 Hz.
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