Товары для хронометража распространены практически повсеместно и являются важной частью современного общества. Точная синхронизация требует устройства, такого как кварцевый кристалл, который колеблется с точной частотой, а также интегральной схемы (ИС), которая управляет устройством. Пакетированные модули часов обычно содержат как кварцевые, так и управляющие микросхемы. Частота электронных генераторных схем варьируется от килогерца (кГц) до мегагерца (МГц).
Кристаллы кГц могут продаваться отдельно или интегрироваться в другие продукты, такие как кварцевые генераторы (CXO), кварцевые генераторы с цифровой температурной компенсацией (DTCXO) и часы реального времени (RTC).
Факторы, определяющие выбор кварца кГц
При выборе кристаллов кГц для конкретного применения наиболее важными факторами являются размер и требуемая частота, но для проектирования правильных схем важны и некоторые другие параметры.
К ним относятся:
Допуск по частоте, стабильность и старение
Емкость нагрузки (CL)
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)
Уровень привода (DL)
рабочая температура
Кристаллы кГц обычно имеют требования ASIC, в которых перечислены значения необходимых параметров. Информация ASIC обеспечивает надежную отправную точку для проектирования схем. Тенденция к миниатюризации электронных схем означает, что разработчикам необходимо уделять этим факторам особое внимание, поскольку размер и плотная упаковка компонентов влияют на характеристики и производительность кристаллов. Однако процесс изготовления фотолитографии гарантирует, что миниатюризация контуров кварцевых генераторов не влияет на параметры, необходимые для их эффективной работы.
Допуск по частоте, стабильность и старение
Хотя кристалл определяет определенную частоту, отклонения частоты могут возникать из-за напряжений в производственном процессе или деформаций на поверхности во время повседневной работы. Отклонение частоты можно суммировать, оценивая три параметра: допуск по частоте, стабильность частоты и старение.
Допуск по частоте определяется как разница между фактической и номинальной частотой кристалла при +25°С. Под стабильностью частоты понимается максимальный сдвиг частоты, вызванный температурой в пределах установленного температурного диапазона. Для повышения точности кристалла рекомендуется использовать кГц XO, который допускает изменение частоты в зависимости от температуры (рис. 1) и калибруется соответствующим образом. Наконец, старение — это изменение частоты с течением времени. Уплотнения уменьшают эффект старения, но могут увеличивать размер.
График зависимости частоты генератора от температуры
Рис. 1. Частота генератора меняется в зависимости от температуры, и ее необходимо учитывать при выборе размера, особенно для экстремальных условий эксплуатации. Источник изображения: Epson предоставлено через IEEE)
Емкость нагрузки (CL)
Емкость между двумя выводами кристалла является его нагрузочной емкостью. Разработчикам необходимо учитывать внешнюю паразитную емкость, поскольку она вызывает дрейф частоты.
Несоответствие между CL и емкостью схемы вызывает особую озабоченность при использовании кристаллов меньшего размера, поскольку кристаллы меньшего размера более чувствительны к изменениям емкости. Кристаллы с низкими значениями CL также особенно чувствительны к частоте. Для проектирования небольших схем в ограниченном пространстве конструкторы часто выбирают кристаллы с более высокими значениями CL.
Уровень привода (DL)
DL — это величина тока, необходимая для поддержания устойчивых колебаний при минимизации структурных повреждений. Рекомендуется выбирать кристаллы со значением DL, равным или превышающим заданный уровень возбуждения схемы, чтобы избежать нестабильности частоты или преждевременного выхода из строя.
рабочая температура
Влияние температуры на частоту выходит за пределы диапазона, заданного индексом стабильности частоты. Конструкторам необходимо учитывать не только рабочую температуру всей схемы, но и расположение кристаллов в схеме, поскольку некоторые участки легче нагреть, чем другие. Кроме того, чем меньше схема и кристалл, тем плотнее корпус компонентов и тем больше тепла генерирует вся система. В этом случае лучше всего использовать кристаллы, лучше откалиброванные в определенном температурном диапазоне, например изделия DTCXO или RTC. Модули DTCXO и RTC хорошо работают в компактных конструкциях, а также могут быть полезны в приложениях, требующих высокой стабильности или низкого энергопотребления.
КГц кристаллы и соответствующие модули
Epson производит большое количество кристаллов кГц, а также модулей DTCXO и RTC. Некоторые из этих продуктов и их характеристики кратко представлены ниже.
Серия FC3215AN представляет собой кристалл с частотой 32,768 кГц, сопротивлением ESR всего 35 кОм и компактным корпусом, что делает его идеальным для портативной электроники и приложений с ограниченным пространством. Серия FC3215AN применима к различным приложениям, таким как беспроводные модули, Интернет вещей, медицинское, промышленное оборудование, оборудование для мониторинга безопасности, интеллектуальные счетчики, бытовая электроника и приложения MCU с низким энергопотреблением. Линейка поддерживает расширенный диапазон рабочих температур от - 40°C до +105°C с герметизацией 3,2 x 1,5 x 0,9 мм и стандартным расположением контактов.
Кристаллы серии FC2012AN с частотой 32,768 кГц аналогичны характеристикам серии FC3215AN, но используют меньшие корпуса размером 2,05 x 1,2 x 0,6 мм и стандартное расположение контактов. Аналогичным образом, серия кристаллов FC2012SN (рис. 2) хорошо подходит для различных приложений, таких как носимые устройства MCU, и беспроводные модули в области Интернета вещей, медицинского лечения, промышленности, безопасности, интеллектуальных счетчиков и т. д.