Produkty do pomiaru czasu są niemal wszechobecne i stanowią ważną część współczesnego społeczeństwa. Precyzyjny pomiar czasu wymaga urządzenia takiego jak kryształ kwarcu, który oscyluje z określoną częstotliwością, a także układu scalonego (IC) sterującego urządzeniem. Pakowane moduły zegarowe zazwyczaj zawierają zarówno układy kryształowe, jak i sterujące. Obwody oscylatorów elektronicznych mają częstotliwość od kiloherców (kHz) do megaherców (MHz).
Kryształy kHz mogą być sprzedawane osobno lub zintegrowane z innymi produktami, takimi jak oscylatory kryształowe (CXO), oscylatory kryształowe z cyfrową kompensacją temperatury (DTCXO) i zegar czasu rzeczywistego (RTC).
Czynniki determinujące wybór kryształu kHz
Przy wyborze kryształów kHz do aplikacji najważniejszymi czynnikami są rozmiar i wymagana częstotliwość, ale przy projektowaniu odpowiednich obwodów ważne są również inne parametry.
Należą do nich:
Tolerancja częstotliwości, stabilność i starzenie się
Pojemność obciążenia (CL)
Równoważna rezystancja szeregowa (ESR)
Poziom napędu (DL)
temperatura pracy
Kryształy kHz zazwyczaj mają wymagania ASIC, które zawierają listę wartości wymaganych parametrów. Informacje ASIC stanowią solidny punkt wyjścia do projektowania obwodów. Trend w kierunku miniaturyzacji obwodów elektronicznych oznacza, że projektanci muszą zwracać szczególną uwagę na te czynniki, ponieważ rozmiar i gęste upakowanie komponentów wpływa na charakterystykę i wydajność kryształów. Jednakże proces wytwarzania fotolitografii gwarantuje, że miniaturyzacja obwodów oscylatorów kwarcowych nie wpłynie na parametry wymagane do ich wydajnej pracy.
Tolerancja częstotliwości, stabilność i starzenie się
Chociaż kryształ ma określoną częstotliwość, mogą wystąpić odchylenia częstotliwości z powodu naprężeń w procesie produkcyjnym lub naprężeń na powierzchni podczas rutynowej pracy. Odchylenie częstotliwości można podsumować, oceniając trzy parametry: tolerancję częstotliwości, stabilność częstotliwości i starzenie.
Tolerancję częstotliwości definiuje się jako różnicę pomiędzy rzeczywistą i nominalną częstotliwością kryształu w temperaturze +25°C. Stabilność częstotliwości odnosi się do maksymalnego przesunięcia częstotliwości spowodowanego temperaturą w ustawionym zakresie temperatur. W celu poprawy dokładności kryształu zaleca się stosowanie kHz XO, które pozwala na zmianę częstotliwości wraz z temperaturą (rys. 1) i jest odpowiednio kalibrowane. Wreszcie starzenie się to zmiana częstotliwości w czasie. Uszczelki zmniejszają skutki starzenia, ale mogą zwiększać rozmiar.
Wykres częstotliwości oscylatora w funkcji temperatury
Rysunek 1: Częstotliwość oscylatora zmienia się w zależności od temperatury i należy ją uwzględnić w procesie doboru, szczególnie w przypadku ekstremalnych środowisk. Źródło obrazu: Epson dostarczone przez IEEE)
Pojemność obciążenia (CL)
Pojemność między dwoma zaciskami kryształu jest jego pojemnością obciążeniową. Projektanci muszą wziąć pod uwagę zewnętrzną pojemność rozproszoną, ponieważ powoduje ona dryf częstotliwości.
Niedopasowanie między CL a pojemnością obwodu jest szczególnie niepokojące w przypadku stosowania mniejszych kryształów, ponieważ mniejsze kryształy są bardziej wrażliwe na zmiany pojemności. Kryształy o niskich wartościach CL są również szczególnie wrażliwe na częstotliwość. Aby zaprojektować małe obwody w ograniczonych przestrzeniach, projektanci często wybierają kryształy o wyższych wartościach CL.
Poziom napędu (DL)
DL to ilość prądu wymagana do utrzymania stałych oscylacji przy jednoczesnej minimalizacji uszkodzeń konstrukcji. Zaleca się wybór kryształów o wartości DL równej lub większej niż dany poziom napędu obwodu, aby uniknąć niestabilności częstotliwości lub przedwczesnej awarii.
temperatura pracy
Wpływ temperatury na częstotliwość przekracza zakres określony przez wskaźnik stabilności częstotliwości. Projektanci muszą wziąć pod uwagę nie tylko temperaturę roboczą całego obwodu, ale także lokalizację kryształów w obwodzie, ponieważ niektóre obszary są łatwiejsze do ogrzania niż inne. Ponadto im mniejszy obwód i kryształ, tym szczelniejszy pakiet komponentów i tym więcej ciepła generuje cały system. W takim przypadku najlepiej jest używać kryształów, które są lepiej skalibrowane w określonym zakresie temperatur, takich jak produkty DTCXO lub RTC. Moduły DTCXO i RTC dobrze sprawdzają się w kompaktowych konstrukcjach i mogą być również korzystne w zastosowaniach wymagających wysokiej stabilności lub niskiego zużycia energii.
Kryształy kHz i powiązane moduły
Epson produkuje dużą liczbę kryształów kHz, a także moduły DTCXO i RTC. Niektóre z tych produktów i ich specyfikacje zostały pokrótce przedstawione poniżej.
Seria FC3215AN to kryształy o częstotliwości 32,768 kHz z ESR tak niskim jak 35 kΩ i kompaktowej obudowie, dzięki czemu idealnie nadają się do przenośnych urządzeń elektronicznych i zastosowań o ograniczonej przestrzeni. Seria FC3215AN ma zastosowanie w różnych zastosowaniach, takich jak moduły bezprzewodowe, Internet rzeczy, sprzęt medyczny, przemysłowy, monitorujący bezpieczeństwo, inteligentny licznik, elektronika użytkowa i aplikacje MCU o małej mocy. Seria obsługuje rozszerzony zakres temperatur pracy od - 40°C do +105°C z hermetyzacją 3,2 mm x 1,5 mm x 0,9 mm i standardowym przypisaniem pinów.
Kryształy serii FC2012AN o częstotliwości 32,768 kHz są podobne do specyfikacji serii FC3215AN, ale wykorzystują mniejsze obudowy o wymiarach 2,05 mm x 1,2 mm x 0,6 mm i standardowe przypisanie pinów. Podobnie seria kryształów FC2012SN (rysunek 2) doskonale nadaje się do różnych zastosowań, takich jak urządzenia do noszenia MCU i moduły bezprzewodowe w dziedzinie Internetu rzeczy, leczenia, przemysłu, bezpieczeństwa, inteligentnych liczników itp.