Kristal dan Oscilator Pada FPGA

Pada umumnya, sebuah FPGA memerlukan sinyal detak (clock) yang stabil dan tidak berubah-ubah. Detak (clock) ini pada umumnya dihasilkan oleh kristal atau oleh oscillator. Kristal berisi sebuah resonator (sering disebut Quartz). Resonator ini bukanlah alat (device) elektronik dan biasanya tidak mampu melakukan osilasi sendiri. Sedangkan sebuah oscillator terdiri resonator dan amplifier. Kedua komponen tersebut diperlukan oscillator untuk mampu melakukan osilasi.

Sebuah kristal atau pun oscilator memiliki parameter tersendiri yakni frekuensi resonansi. Biasanya suatu FPGA memiliki ukuran frekuensi resonansi tersendiri yang telah ditetapkan oleh vendor pembuatnya. Jadi jika ingin membuat sebuah rangkaian elektronika dengan frekuensi resonansi tertentu maka otomatis akan menyesuaikan dengan FPGA yang hendak dipakai.

Keterangan :

• Gambar Kristal (2 pin)

1. Kristal jenis HC-49/SD

2. Kristal jenis HC-49/US

3. Kristal jenis HC-49/U

• Gambar Oscilator (4 pin)

4. Oscilator jenis DIL-14 berukuran penuh dan bungkus (bagian luarnya) terbuat dari logam. Biasa disebut “canned oscillator”

5. Oscilator jenis DIL-8 berukuran setengah dan bungkus (bagian luarnya) terbuat dari logam.

6. Oscilator jenis DIL-8 berukuran setengah dan bungkus (bagian luarnya) terbuat dari plastik

7. Oscilator berukuran 5x7mm dan bungkus (bagian luarnya) terbuat dari logam.

Kristal
Kristal ini biasanya memiliki 2 buah kaki (pin). Kedua pin tersebut simetris dan letaknya dapat dipasang secara bolak balik. Kristal ini memerlukan rangkaian elektronik dari luar untuk melakukan osilasi. Selain itu, kristal lebih dikenal sebagai komponen ”analog” dibandingkan “digital”. Sebuah kristal memerlukan amplifier analog guna menghasilkan osilasi yang terus menerus. Seringkali, sebuah kristal memiliki 3 buah pin. Namun biasanya selain kedua pin yang telah ada, sisa pin tersebut hanyalah pin ground.

Oscilator
Saat ini, kebanyakan pengembang papan (development board) FPGA menggunakan oscillator guna menghasilkan detak (clock). Sebuah oscillator biasanya memiliki 4 kaki (pin) dan membutuhkan sinyal elektrik untuk melakukan osilasi. Jadi sebuah oscillator mampu menghasilkan sebuah detak (clock) sendiri ketika dihidupkan/diberikan tegangan. Pin yang dimiliki oleh oscillator terdiri sebagai berikut :

1. Pin Enable

2. Pin Groun (GND)

3. Pin Output

4. Pin VCC (biasanya berupa 3,3V atau 5V)

Untuk menonkatifkan atau meniadakan output oscilator (berupa tingkat impedansi yang tinggi), biasanya pin enable akan dihubungkan pada GND. Sedangkan untuk menghasilkan output maka pin enable akan dihubungkan dengan VCC. Beberapa oscillator biasanya otomatis akan non aktif/mati ketika input untuk pin enable bernilai rendah. Tujuannya yakni untuk menghemat tenaga/power. Selain itu, pembungkus oscillator yang berupa logam nantinya bisa dihubungkan ke ground dan berfungsi sebagai pelindung.

Sebuah oscilator dibuat untuk bekerja pada tegangan tertentu. Biasanya antara 3,3V s/d 5V. Terkadang, bila sebuah oscilator yang memiliki spesifikasi tegangan 5V akan dipasang pada tegangan 3,3V tidak akan menjadi masalah. Kecepatan osilasi sebuah oscilator akan berbanding lurus terhadap arus listrik yang dibutuhkan. Misalkan, sebuah oscilator akan berosilasi 25 MHz hanya akan membutuhkan arus 10 mA . Sedangkan jika melakukan osilasi 50 MHz maka arus yang dibutuhkan adalah sekitar 20 mA.

Ketelitian Kristal dan Oscilator
Sebuah resonator (Quartz) biasanya menghasilkan frekuensi yang stabil serta tepat dan akurat. Ketepatan dan ketelitian sebuah kristal mampu mencapai 0,0001%. Hal tersebut akan berpengaruh juga pada ketelitian dan ketepatan kristal maupun oscilator. Nilai ketepatan dan ketelitian paling tinggi untuk keduanya mampu mencapai plus minus 0,0001 %. Sedangkan pada umumnya, nilai ketepatan dan keakuratan kristal maupun oscilator adalah plus minus 0.005% s/d plus minus 0.001%.

Clock synthesizer sebagai penghasil detak (clock)
Sebuah sinyal detak (clock) dapat dihasilkan dari komponen yang disebut clock synthesizer. Hal ini sangatlah bermanfaat karena komponen ini mampu diprogram untuk menghasilkan sejumlah frekuensi yang diharapkan. Alat clock synthesizer ini didasarkan atas program PLL. Selain itu, program PLL memiliki beberapa aplikasi seperti proses sinkroniasai, regenerasai detak (clock), dsb. Salah satu hal yang menarik ketika menggunakan komponen (synthesizer clock) adalah bahwa komponen ini akan cenderung menghasilkan sinyal dengan jitter yang besar dan kemudian akan menetapkan frekuensi osilator yang akan diinginkan. Jitter adalah ukuran sebuah detak tersebut dihasilkan/ditetapkan. Sebuah jitter yang berukuran kecil akan sangat menguntungkan. Hal tersebut disebabkan karena jitter memerlukan pengurangan dari selisih waktu yang ada. Jadi, untuk mendesain jitter ini tidak boleh sembarangan. Selain itu, jitter yang sedikit juga dibutuhkan dalam beberapa aplikasi komunikasi.