Zeitmessgeräte sind nahezu allgegenwärtig und ein wichtiger Bestandteil der modernen Gesellschaft. Präzises Timing erfordert ein Gerät wie einen Quarzkristall, der mit einer präzisen Frequenz schwingt, sowie einen integrierten Schaltkreis (IC), der das Gerät steuert. Verpackte Taktmodule enthalten typischerweise sowohl Quarz- als auch Steuer-ICs. Elektronische Oszillatorschaltungen haben einen Frequenzbereich 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 eines kHz-Kristalls bestimmen
Bei der Auswahl von kHz-Quarzen für eine Anwendung sind die Größe und die erforderliche Frequenz die wichtigsten Überlegungen, aber auch einige andere Parameter sind für den Entwurf geeigneter Schaltungen wichtig.
Dazu gehören:
Frequenztoleranz, Stabilität und Alterung
Lastkapazität (CL)
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Fahrstufe (DL)
Arbeitstemperatur
Für KHz-Quarze gelten in der Regel ASIC-Anforderungen, in denen die Werte der erforderlichen Parameter aufgeführt sind. ASIC-Informationen bieten einen soliden Ausgangspunkt für das Schaltungsdesign. Der Trend zur Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise bedeutet, dass Entwickler diesen Faktoren besondere Aufmerksamkeit schenken müssen, da die Größe und die dichte Packung der Komponenten die Eigenschaften und Leistung von Kristallen beeinflussen. 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 ein Kristall eine bestimmte Frequenz vorgibt, kann es aufgrund von Spannungen im Herstellungsprozess oder Belastungen der Oberfläche im Routinebetrieb zu Frequenzabweichungen kommen. 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 und der Nennfrequenz des Quarzes bei +25 °C. Unter Frequenzstabilität versteht man die maximale Frequenzverschiebung, die durch die Temperatur innerhalb des eingestellten Temperaturbereichs verursacht wird. Um die Quarzgenauigkeit zu verbessern, wird die Verwendung von kHz XO empfohlen, das die Änderung der Frequenz mit der Temperatur zulässt (Abb. 1) und entsprechend kalibriert ist. Schließlich ist Alterung eine zeitliche Verschiebung der Häufigkeit. Dichtungen reduzieren Alterungseffekte, können jedoch die Größe erhöhen.
Oszillatorfrequenz-Temperatur-Diagramm
Abbildung 1: Die Oszillatorfrequenz variiert mit der Temperatur und muss bei der Dimensionierung berücksichtigt werden, insbesondere bei extremen Umgebungsbedingungen. Bildquelle: Epson bereitgestellt über IEEE)
Lastkapazität (CL)
Die Kapazität zwischen zwei Anschlüssen eines Kristalls ist seine Lastkapazität. Entwickler müssen externe Streukapazitäten berücksichtigen, da diese eine Frequenzdrift verursachen.
Die Nichtübereinstimmung zwischen CL und der Schaltkreiskapazität ist besonders besorgniserregend, wenn kleinere Kristalle verwendet werden, da kleinere Kristalle empfindlicher auf Kapazitätsschwankungen reagieren. Kristalle mit niedrigen CL-Werten sind außerdem besonders frequenzempfindlich. Um kleine Schaltkreise auf engstem Raum zu entwerfen, wählen Designer oft Quarze mit höheren CL-Werten.
Fahrstufe (DL)
DL ist die Strommenge, die erforderlich ist, um eine stabile Schwingung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig strukturelle Schäden zu minimieren. Es wird empfohlen, Quarze mit einem DL-Wert auszuwählen, der gleich oder größer als der angegebene Treiberpegel der Schaltung ist, um Frequenzinstabilität oder vorzeitigen Ausfall zu vermeiden.
Arbeitstemperatur
Der Einfluss der Temperatur auf die Frequenz überschreitet den durch den Frequenzstabilitätsindex festgelegten Bereich. Designer müssen nicht nur die Betriebstemperatur des gesamten Schaltkreises berücksichtigen, sondern auch die Position der Kristalle im Schaltkreis, da einige Bereiche leichter zu erhitzen sind als andere. Darüber hinaus gilt: Je kleiner die Schaltung und der Kristall, desto dichter ist das Komponentenpaket und desto mehr Wärme erzeugt das gesamte System. In diesem Fall ist es am besten, Kristalle zu verwenden, die über einen bestimmten Temperaturbereich besser kalibriert sind, wie z. B. DTCXO- oder RTC-Produkte. DTCXO- und RTC-Module eignen sich gut für kompakte Designs und können auch in Anwendungen von Vorteil sein, die eine hohe Stabilität oder einen geringen Stromverbrauch erfordern.
KHz-Kristalle und zugehörige Module
Epson produziert eine große Anzahl von kHz-Quarzen sowie DTCXO- und RTC-Modulen. Einige dieser Produkte und ihre Spezifikationen werden im Folgenden kurz vorgestellt.
Bei der FC3215AN-Serie handelt es sich um einen 32,768-kHz-Quarz mit einem ESR von nur 35 kΩ und einem kompakten Gehäuse, was ihn ideal für tragbare Elektronik und platzbeschränkte Anwendungen macht. Die FC3215AN-Serie eignet sich für verschiedene Anwendungen, z. B. für drahtlose Module, das Internet der Dinge, medizinische, industrielle, Sicherheitsüberwachungsgeräte, intelligente Messgeräte, Unterhaltungselektronik und MCU-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Die Serie unterstützt einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +105 °C mit einer Kapselung von 3,2 mm x 1,5 mm x 0,9 mm und Standard-Pinbelegungen.
Die 32,768-kHz-Quarze der Serie FC2012AN ähneln den Spezifikationen der Serie FC3215AN, verwenden jedoch kleinere Gehäuse von 2,05 mm x 1,2 mm x 0,6 mm und Standard-Pinbelegungen. Ebenso eignen sich die Kristalle der FC2012SN-Serie (Abbildung 2) gut für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. tragbare MCU-Geräte und drahtlose Module in den Bereichen Internet der Dinge, medizinische Behandlung, Industrie, Sicherheit, intelligente Messgeräte usw.