Timing-Produkte sind nahezu allgegenwärtig und ein wichtiger Bestandteil der modernen Gesellschaft. Für eine genaue Zeitmessung sind Geräte wie Quarzkristalle erforderlich, die mit präzisen Frequenzen schwingen können, sowie integrierte Schaltkreise (ICs), die die Geräte steuern. Gekapselte Taktmodule enthalten typischerweise sowohl Quarze als auch Steuer-ICs. Der Frequenzbereich elektronischer Oszillatorschaltungen variiert von Kilohertz (kHz) bis Megahertz (MHz).
KHz-Quarze können separat verkauft oder in andere Produkte wie Quarzoszillatoren (CXO), digitale temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (DTCXO) und Echtzeituhren (RTC) integriert werden.
Faktoren, die die Auswahl von kHz-Quarzen bestimmen
Bei der Auswahl von kHz-Quarzen für Anwendungen sind Größe und gewünschte Frequenz die wichtigsten Überlegungen, aber auch andere Parameter sind entscheidend für den Entwurf geeigneter Schaltungen.
Dazu gehört:
Frequenztoleranz, Stabilität und Alterung
Lastkapazität (CL)
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Fahrstufe (DL)
Betriebstemperatur
Für KHz-Quarze gelten typischerweise Anforderungen an anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs), in denen die Werte der erforderlichen Parameter aufgeführt sind. ASIC-Informationen können einen soliden Ausgangspunkt für das Schaltungsdesign bieten. Der Trend zur Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise bedeutet, dass Entwickler den oben genannten Faktoren besondere Aufmerksamkeit schenken müssen, da die Größe und die dichte Packung der Komponenten die Eigenschaften und Leistung von Kristallen beeinflussen können. Der fotolithografische Herstellungsprozess stellt jedoch sicher, dass die Miniaturisierung von Quarzoszillatorschaltungen die für ihren effizienten Betrieb erforderlichen Parameter nicht beeinträchtigt.
Frequenztoleranz, Stabilität und Alterung
Obwohl Kristalle bestimmte Frequenzen spezifizieren, können aufgrund von Spannungen während der Herstellung oder Oberflächenbelastungen im täglichen Betrieb dennoch Frequenzabweichungen auftreten. Die Frequenzabweichung kann durch die Bewertung von drei Parametern zusammengefasst werden: Frequenztoleranz, Frequenzstabilität und Alterung.
Die Frequenztoleranz ist definiert als die Differenz zwischen der tatsächlichen Frequenz und der Nennfrequenz eines Quarzes bei +25 °C. Unter Frequenzstabilität versteht man die maximale Frequenzverschiebung, die durch die Temperatur innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs verursacht wird. Um die Genauigkeit des Kristalls zu verbessern, wird empfohlen, kHz XO zu verwenden, das die Frequenzschwankung mit der Temperatur berücksichtigen kann (Abbildung 1) und eine entsprechende Kalibrierung durchführen kann. Schließlich bezieht sich Alterung auf die Frequenzdrift im Laufe der Zeit. Durch die Versiegelung können Alterungseffekte verringert, die Größe jedoch vergrößert werden.