Tijdwaarnemingsproducten zijn bijna alomtegenwoordig en vormen een belangrijk onderdeel van de moderne samenleving. Nauwkeurige timing vereist een apparaat zoals een kwartskristal dat op een precieze frequentie oscilleert, evenals een geïntegreerd circuit (IC) dat het apparaat bestuurt. Verpakte klokmodules bevatten doorgaans zowel kristal- als besturings-IC's. Elektronische oscillatorcircuits variëren in frequentie van kilohertz (kHz) tot megahertz (MHz).
KHz-kristallen kunnen afzonderlijk worden verkocht of worden geïntegreerd in andere producten, zoals kristaloscillatoren (CXO), digitale temperatuurgecompenseerde kristaloscillatoren (DTCXO) en Real Time Clock (RTC).
Factoren die de keuze van kHz-kristallen bepalen
Bij het selecteren van kHz-kristallen voor een toepassing zijn de grootte en de vereiste frequentie de belangrijkste overwegingen, maar enkele andere parameters zijn ook belangrijk voor het ontwerpen van goede circuits.
Deze omvatten:
Frequentietolerantie, stabiliteit en veroudering
Belastingscapaciteit (CL)
Equivalente serieweerstand (ESR)
Rijniveau (DL)
werktemperatuur
KHz-kristallen hebben doorgaans ASIC-vereisten, waarin de waarden van de vereiste parameters worden vermeld. ASIC-informatie biedt een solide startpunt voor circuitontwerp. De trend naar miniaturisering van elektronische schakelingen betekent dat ontwerpers bijzondere aandacht aan deze factoren moeten besteden, omdat de grootte en de compacte verpakking van componenten de kenmerken en prestaties van kristallen beïnvloeden. Het fabricageproces van fotolithografie zorgt er echter voor dat de miniaturisatie van kristaloscillatorcircuits geen invloed heeft op de parameters die nodig zijn voor hun efficiënte werking.
Frequentietolerantie, stabiliteit en veroudering
Hoewel een kristal een specifieke frequentie specificeert, kunnen frequentieafwijkingen optreden als gevolg van spanningen tijdens het productieproces of spanningen op het oppervlak tijdens routinematig gebruik. De frequentieafwijking kan worden samengevat door drie parameters te evalueren: frequentietolerantie, frequentiestabiliteit en veroudering.
De frequentietolerantie wordt gedefinieerd als het verschil tussen de werkelijke en nominale frequenties van het kristal bij +25 ° C. Frequentiestabiliteit heeft betrekking op de maximale frequentieverschuiving veroorzaakt door temperatuur binnen het ingestelde temperatuurbereik. Om de kristalnauwkeurigheid te verbeteren, wordt aanbevolen om kHz XO te gebruiken, die de verandering van de frequentie met de temperatuur mogelijk maakt (Fig. 1) en dienovereenkomstig wordt gekalibreerd. Ten slotte is veroudering een verandering in frequentie in de loop van de tijd. Zeehonden verminderen de verouderingseffecten, maar kunnen de omvang vergroten.
Oscillatorfrequentie versus temperatuurgrafiek
Figuur 1: De frequentie van de oscillator varieert met de temperatuur en er moet rekening mee worden gehouden bij het dimensioneringsproces, vooral voor extreme omgevingen. Afbeeldingsbron: Epson geleverd via IEEE)
Belastingscapaciteit (CL)
De capaciteit tussen twee aansluitingen van een kristal is de belastingscapaciteit. Ontwerpers moeten rekening houden met externe parasitaire capaciteit, aangezien deze frequentiedrift veroorzaakt.
De discrepantie tussen CL en circuitcapaciteit is van bijzonder belang bij gebruik van kleinere kristallen, omdat kleinere kristallen gevoeliger zijn voor capaciteitsvariaties. Kristallen met lage CL-waarden zijn ook bijzonder gevoelig voor frequentie. Om kleine circuits in kleine ruimtes te ontwerpen, selecteren ontwerpers vaak kristallen met hogere CL-waarden.
Rijniveau (DL)
DL is de hoeveelheid stroom die nodig is om een stabiele oscillatie te behouden en tegelijkertijd structurele schade te minimaliseren. Het wordt aanbevolen om kristallen te selecteren met een DL-waarde gelijk aan of groter dan het gegeven circuitaandrijfniveau om frequentie-instabiliteit of voortijdige uitval te voorkomen.
werktemperatuur
De invloed van de temperatuur op de frequentie overschrijdt het bereik gespecificeerd door de frequentiestabiliteitsindex. Ontwerpers moeten niet alleen rekening houden met de bedrijfstemperatuur van het hele circuit, maar ook met de locatie van de kristallen in het circuit, omdat sommige gebieden gemakkelijker te verwarmen zijn dan andere. Bovendien geldt: hoe kleiner het circuit en het kristal, hoe strakker het componentenpakket en hoe meer warmte het hele systeem genereert. In dit geval kun je het beste kristallen gebruiken die beter gekalibreerd zijn over een bepaald temperatuurbereik, zoals DTCXO- of RTC-producten. DTCXO- en RTC-modules presteren goed in compacte ontwerpen en kunnen ook voordelig zijn in toepassingen die een hoge stabiliteit of een laag stroomverbruik vereisen.
KHz-kristallen en bijbehorende modules
Epson produceert een groot aantal kHz-kristallen, evenals DTCXO- en RTC-modules. Hieronder worden enkele van deze producten en hun specificaties kort toegelicht.
De FC3215AN-serie is een 32,768 kHz-kristal met een ESR van slechts 35 kΩ en een compact pakket, waardoor het ideaal is voor draagbare elektronica en toepassingen met beperkte ruimte. De FC3215AN-serie is toepasbaar op verschillende toepassingen, zoals draadloze modules, Internet of Things, medische, industriële, beveiligingsbewakingsapparatuur, slimme meters, consumentenelektronica en MCU-toepassingen met laag vermogen. De serie ondersteunt een uitgebreid bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +105 °C met een inkapseling van 3,2 mm x 1,5 mm x 0,9 mm en standaard pintoewijzingen.
32,768 kHz-kristallen uit de FC2012AN-serie zijn vergelijkbaar met de specificaties van de FC3215AN-serie, maar gebruiken kleinere pakketten van 2,05 mm x 1,2 mm x 0,6 mm en standaard pintoewijzingen. Op dezelfde manier is de FC2012SN-serie kristallen (Figuur 2) zeer geschikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals draagbare apparaten MCU, en draadloze modules op het gebied van Internet of Things, medische behandeling, industrie, beveiliging, slimme meters, enz.