Warum wird empfohlen, XOs mit LDOs zu betreiben?

Ich habe an verschiedenen Stellen gelesen, dass Quarzoszillator-ICs sehr sauberen Strom benötigen (im Gegensatz zu zB Ihrer üblichen 3,3-V-Schiene von einigen Schaltreglern), und eine Möglichkeit, dies zu erreichen, war über LDOs. ( Ref1 )

Das einzige, was LDOs tatsächlich erreichen, ist jedoch, die Spannung gegen Niederfrequenzschwankungen zu stabilisieren, vielleicht bis zu mehreren 10 s oder 100 kHz. Im Gegensatz dazu laufen XOs typischerweise mit 10 MHz, wo die meisten LDOs völlig ineffizient sind, irgendetwas zu reinigen. Um XOs herum werden ohnehin Kondensatoren oder LC-Filter verwendet, um eine ausreichend niedrige Versorgungsimpedanz bei der Schaltfrequenz bereitzustellen. Um es klar zu sagen, ja, das LDO-Datenblatt behauptet eine hohe Unterdrückung bei 10 MHz mit geeigneten Ausgangskappen, aber dies liegt nicht an der aktiven Unterdrückung, sondern an dem passiven Filter, das durch die Ausgangskappe gebildet wird. Ein passives LC-Filter erreicht wahrscheinlich eine bessere Unterdrückung bei 10 MHz als LDO + Ausgangskappe.

Der einzige Grund, XOs über LDOs zu speisen, wäre, wenn ihre Frequenz nennenswert von der Versorgungsspannung abhängen würde. Dies scheint jedoch nicht der Fall zu sein, wie zB dieses Datenblatt von Abracon zeigt. Etwas wie 100 mV Niederfrequenzwelligkeit (die LDOs gut reinigen können) würde, wenn überhaupt, nur etwa 0,1 ppm Frequenzdrift verursachen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich bin ein bisschen verwirrt von Referenz 1 oben. Es zeigt, wie niederfrequente Variationen von Vdd entsprechendes niederfrequentes Phasenrauschen verursachen, aber wie? Müsste sich die Oszillatorfrequenz nicht ändern, um Phasenrauschen zu verursachen? Oder reichen diese paar ppb Frequenzdrift aus, um das übermäßige Phasenrauschen zu verursachen? 0,1 ppm von 10 MHz könnten nur Phasenrauschen bis zu einem Versatz von 1 Hz verursachen, wenn ich das richtig verstehe (wahrscheinlich nicht).

Die Anwendung, die ich im Sinn habe, ist für einen Präzisions-ADC (nicht HF). Daher ist Phasenrauschen im Nahbereich zwischen 10 Hz und 100 kHz besonders relevant.

Was ist also der Vorteil, einen XO über einen LDO (plus Kondensatoren um den XO) mit Strom zu versorgen, anstatt über einen einfachen LC-Filter, der die gesamte Niederfrequenzwelligkeit zum XO durchlässt?

Sie könnten -50 dB bei 10 MHz mit einer leichten Last und einer angemessenen Ausgangsobergrenze erhalten. Halten Sie das für "völlig ineffizient beim Reinigen von irgendetwas"?
Ich habe an verschiedenen Stellen gelesen, dass Kristalloszillator-ICs sehr sauberen Strom benötigen. Wo haben Sie das gelesen? Zeigen Sie ein oder mehrere Beispiele. Xtal-Oszillatoren werden fast überall verwendet. Bei vielen Geräten wie Laptops und Mikrowellengeräten würde ich bezweifeln, dass die Uhr so ​​"sauber" (jitterfrei) sein muss. Nur bei bestimmten Anwendungen, zum Beispiel wenn ein Funk-Transceiver den Xtal-Osc. Als Referenzfrequenz würde ich zustimmen, dass eine saubere Uhr benötigt wird.
Die Amplitude spielt auch eine Rolle, und durch die Stabilisierung der Versorgungsspannung stabilisiert der LDO diese. Jede Abweichung von einer perfekten Rechteckwelle und Amplitudenvariation führt zu einer Phasenvariation (Timing-Jitter).
Dieser TI-Artikel bezieht sich auf die Verwendung von Xtal-Oszillatoren in Synthesizern , die zur Erzeugung von LO-Signalen in (Funk-) Transceivern verwendet werden, wie ich bereits erwähnt habe. Nein, das widerspricht nicht dem Bild, das Bild zeigt Frequenzschwankungen über der Versorgungsspannung und genau aus diesem Grund sollte die Versorgung stabil sein. Ich sehe keinen Widerspruch, nur Bestätigung. Synthesizer multiplizieren die Frequenz des XO mit einem bestimmten Faktor. Zum Beispiel 2,5 GHz / 10 MHz = 250. Wenn Sie eine 10-Hz-Variation auf Ihren 10 MHz haben, wird diese dann in 2,5 kHz umgewandelt, was die Leistung eines Transceivers beeinträchtigt.
... bei 10 Hz ist ein LDO sehr effektiv, es gibt Kondensatoren, die 10 Hz sehr effektiv filtern, aber oft sehr groß sind .
Dies steht im Gegensatz zur Stromversorgung über einen Schaltregler, bei dem das Schaltrauschen des Reglers von den HF-Teilen aufgefangen werden könnte. Wenn Sie nur einen hochpräzisen ADC ausführen, ist es nicht so wichtig, eine saubere Uhr zu haben, sondern eine saubere Vref. Und die spezialisierten Spannungsreferenz-ICs, die Sie dafür verwenden können, sind oft nur ein getarnter rauscharmer LDO.
@Lundin ja, am Ende habe ich eine Spannung von der analogen Referenz + dem Operationsverstärkerpuffer als Versorgung für den XO abgeleitet. Ein niedriges Phasenrauschen ist definitiv von entscheidender Bedeutung für Präzisions-ADC, wenn sie nicht nur DC, sondern AC bei >kHz-Frequenzen erkennen sollen.

Antworten (2)

Ihre Stromversorgung muss nur so sauber sein, wie es Ihre Anwendung erfordert.

Wenn Ihr XO eine MCU antreibt, können Sie mit praktisch allem davonkommen. Wenn es Teil eines rauscharmen HF-Synthesizers ist, dann müssen Sie sich die Hände schmutzig machen.

Alle Oszillatoren haben eine „drückende“ Leistung, die spezifiziert werden kann oder nicht. Es ist das Delta (Freq) / Delta (Vcc). Ein guter Oszillator kann eine laute Stromversorgung tolerieren, und ein schlechter Oszillator kann eine leise erfordern.

„LDOs unterscheiden sich sehr in ihrem Rauschverhalten, und es ist nicht immer einfach, die Datenblätter zu interpretieren, um zu sehen, wofür sie wirklich spezifiziert sind. Hinweis - Wenn das Rauschen nicht angegeben ist, ist es wahrscheinlich schlecht. Seien Sie bereit, viele Datenblätter zu durchsuchen, um ein ruhiges zu finden, es gibt einige da draußen.

Es gibt keinen LDO, der einen 'großen C'-Endfilter des Netzteils schlägt, bevor er zum Oszillator gelangt, zumindest für Offsets von 1 kHz +.

Um Überdesign zu vermeiden, bauen Sie Ihren Prototypen in der Regel mit Standard-LDOs und minimalen Filtern. Dann teste es. Beheben Sie dann die Probleme, die behoben werden müssen. Wenn Sie mit dem LDO mit dem geringsten verfügbaren Rauschen und Big Caps in Ihrer Stromversorgungsleitung beginnen, können Sie Erfolg haben, aber Sie werden nie wissen, ob Sie mit etwas Billigerem hätten davonkommen können. Aber es hängt davon ab, ob Sie eine oder eine Million verdienen, ob diese Route insgesamt billiger sein wird.

Danke für die Antwort, Neil, ich habe zwei Absätze unter dem Bild hinzugefügt, um ein wenig über die Anwendung zu erklären.
@tobalt meine Antwort ist unbestritten, sie hängt entscheidend von den Spezifikationen ab. Da Ihre Argumentation in diesen 3 letzten Absätzen jedoch fehlerhaft ist, bin ich mir nicht sicher, ob Sie sie anwenden können. Also prototypieren, testen, verbessern.
Es ist also falsch, dass eine Frequenzänderung von 1 Hz nur um 1 Hz versetztes Phasenrauschen verursacht, wenn die Frequenzmodulation selbst schneller als 1 Hz erfolgt? Sieht so aus, als müsste ich einige Simulationen des Phasenrauschens selbst durchführen, um es besser zu verstehen. :)2
@tobalt Ja, die 1-Hz-Variation ist die Tiefe der Modulation. Wenn dieser 1-Hz-Mod mit einer Rate von 1 kHz auftritt, liegt der Offset des Phasenrauschens bei 1 kHz. Die Tiefe jedes Phasenrauschens auf dem XO wird durch das Verhältnis von XO-Frequenz zu Signalfrequenz reduziert, erscheint aber immer noch mit demselben Offset. Wenn Sie also einen 10-MHz-XO haben, der den ADC taktet, und Sie ein 10-kHz-Signal abtasten, weist das Signal aufgrund des XO-Phasenrauschens 60 dB weniger Phasenrauschen auf als der XO. Das Phasenrauschen wird wohl von anderen Dingen dominiert werden. Ich war immer überrascht, einen Prototypen zu testen.
Nachdem ich in der Simulation die Auswirkungen winziger Frequenzdrifts weit unter 1 Hz auf das Phasenrauschspektrum mit eigenen Augen gesehen habe, habe ich eine stark veränderte Sicht auf die Notwendigkeit einer niederfrequenten Versorgungsstabilität. Danke, dass du mich dazu gebracht hast.

In Bezug auf Ihre Bearbeitung, wie @user_1818839 betonte, ändert eine Änderung der Amplitude auch die Phase selbst bei konstanter Frequenz, es sei denn, Sie haben eine perfekte Rechteckwelle (unendliche Bandbreite). Dies liegt daran, dass sich der Zeitpunkt, zu dem Sie die Schwellenspannung zwischen 0 und 1 überschreiten, ändert, wenn sich die Amplitude ändert. Wenn Sie eine unendliche Bandbreite haben könnten, dann ist die Kante der Rechteckwelle vertikal und dies ist nicht der Fall. Sie haben jedoch immer eine begrenzte Bandbreite, daher müssen Sie Ihre Spannung so stabil wie möglich halten. Andernfalls, wenn Ihre Amplitude nach oben und unten zittert, ist dies auch die Phase, die Sie erkennen.

In Bezug darauf, warum Sie einen LDO verwenden würden, kann seine Fähigkeit, niederfrequentes Rauschen zu unterdrücken, sehr hoch sein, 50, 60, 70 dB werden in vielen Datenblättern angegeben. Umgekehrt ist ein RC-Filter mit angemessener Größe nicht sehr gut darin. Daher will man eigentlich beides, zumindest in Anwendungen, wo es auf einen stabilen Takt ankommt.

Danke. Ich habe immer noch ein wenig Mühe, vollständig zu verstehen, wie die Amplitudenmodulation zu Rauschen in Phase führen würde. Ich verstehe Ihre Argumentation, aber ich muss sie simulieren, um das quantitative Ergebnis zu sehen. Ich stimme voll und ganz zu, dass ein Linearregler ideal ist, um niederfrequente Vdd-Variationen zu unterdrücken. Ich verstehe nur nicht, warum das für das Phasenrauschen eines XO so wichtig wäre.
Ich konnte den Effekt nun in der Simulation reproduzieren. Eine kleine Schwankung der Versorgungsspannung bei F M Ö D führt zu einem Seitenbandversatz von der Oszillatorfrequenz durch F M Ö D . Der dominierende Effekt scheint jedoch tatsächlich die winzige Frequenzänderung zu sein, die durch die Versorgungsänderung verursacht wird, selbst wenn diese Frequenzänderung << 1 Hz beträgt.
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