Leitfaden für Entwickler zur Auswahl von kHz-Quarzen

Produkte mit Zeiterfassung sind praktisch allgegenwärtig und aus der modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Für die präzise Taktung sind Quarzkristalle erforderlich, die mit einer genauen Frequenz oszillieren, sowie integrierte Schaltkreise (IC), die sie steuern. Ein Taktmodul enthält in der Regel Quarz und Steuer-IC in einem Gehäuse. Elektronische Oszillatorschaltungen können für Frequenzen vom Kilohertz- (kHz) bis zum Megahertz-Bereich (MHz) hergestellt werden.

kHz-Quarze können als eigenständige Quarze verkauft oder in andere Produkte wie Quarzoszillatoren (CXOs), digitale temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (DTCXOs) und Echtzeituhren (RTCs) integriert werden.

Faktoren, die die Auswahl eines kHz-Quarzes bestimmen

Die Größe und die passende Frequenz sind zwar die wichtigsten Faktoren bei der Auswahl eines kHz-Quarzes für eine bestimmte Anwendung. Für das Design der richtigen Schaltung müssen jedoch auch andere Parameter berücksichtigt werden.

Dazu gehören:

• Frequenztoleranz, Frequenzstabilität und Alterung
• Lastkapazität (CL)
• Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
• Treiberpegel (DL)
• Betriebstemperatur

kHz-Quarze werden in der Regel mit anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC) geliefert, die die Werte der erforderlichen Parameter enthalten. Diese ASIC-Informationen können ein guter Ausgangspunkt für das Schaltungsdesign sein. Der Trend zur Miniaturisierung elektronischer Schaltungen bedeutet für Entwickler, dass sie den oben aufgeführten Faktoren besondere Aufmerksamkeit schenken müssen, da Größe und Packungsdichte der Komponenten die Eigenschaften und die Leistung eines Kristalls beeinflussen können. Photolithographische Fertigungsverfahren stellen jedoch sicher, dass die für einen effizienten Betrieb erforderlichen Parameter durch die Miniaturisierung der Quarzoszillatorschaltungen nicht beeinträchtigt werden.

Frequenztoleranz, Frequenzstabilität und Alterung

Der Quarz gibt zwar eine bestimmte Frequenz vor, es kann jedoch aufgrund von Dehnungen, die beim Herstellungsprozess oder im Routinebetrieb an der Oberfläche auftreten, zu Abweichungen kommen. Solche Abweichungen von den angegebenen Frequenzwerten lassen sich zusammenfassend über drei Parameter bewerten: Frequenztoleranz, Frequenzstabilität und Alterung des Quarzes.

Die Frequenztoleranz ist definiert als die Differenz zwischen der tatsächlichen Frequenz eines Quarzes und seiner Nennfrequenz bei +25 °C. Die Frequenzstabilität ist die maximale temperaturbedingte Frequenzverschiebung, die über einen festgelegten Temperaturbereich auftreten kann. Um die Genauigkeit eines Quarzes zu erhöhen, ist es ratsam, einen kHz-XO zu verwenden, der Frequenzänderungen mit der Temperatur (Abbildung 1) berücksichtigt und entsprechend kalibriert ist. Die Quarzalterung schließlich ist die Frequenzdrift im Laufe der Zeit. Ein hermetische Abdichtung reduziert zwar Alterungseffekte, kann aber die Größe des Bauteils erhöhen.

Abbildung 1: Die Oszillatorfrequenz ändert sich mit der Temperatur. Dies muss im Auswahlverfahren berücksichtigt werden, insbesondere wenn die Anwendung in extremen Umgebungen eingesetzt wird. (Bildquelle: Epson über IEEE)

Lastkapazität (CL)

Die Lastkapazität ist die Kapazität zwischen den beiden Anschlüssen eines Quarzes. Entwickler müssen die äußere Streukapazität berücksichtigen, die zu Frequenzdrift führen kann.

Der Abweichung zwischen Lastkapazität CL und der Kapazität der Schaltung muss besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, wenn physikalisch kleinere Quarze verwendet werden, die empfindlicher auf Kapazitätsänderungen reagieren. Quarze mit geringer Lastkapazität sind zudem besonders frequenzempfindlich. Um kleinere Schaltkreise für enge Platzverhältnisse zu entwickeln, wählen Entwicklungsingenieure in der Regel Quarze mit großer Lastkapazität.

Treiberpegel (DL)

Der Treiberpegel DL ist die Strommenge, die erforderlich ist, um eine stetige Oszillation aufrechtzuerhalten und gleichzeitig strukturelle Schäden auf ein Minimum zu reduzieren. Es wird empfohlen, einen Quarz mit einem DL auszuwählen, der den Treiberpegel der jeweiligen Schaltung erreicht oder überschreitet, um eine unzuverlässige Frequenz oder einen vorzeitigen Ausfall zu vermeiden.

Betriebstemperatur

Die Temperatur beeinflusst die Frequenz über das hinaus, was die Werte zur Frequenzstabilität besagen. Entwickler müssen die Gesamtbetriebstemperatur der Schaltung im Auge behalten, aber auch die Lage des Quarzes innerhalb der Schaltung, da einige Bereiche anfälliger für Erwärmung sein können als andere. Hinzu kommt: Je kleiner Schaltkreis und Quarz sein müssen, desto dichter werden die Komponenten gepackt und desto mehr Wärme erzeugt das gesamte System. In solchen Fällen ist es am besten, einen Quarz zu verwenden, der für einen Temperaturbereich besser kalibriert ist, wie dies z. B. bei DTCXO- oder RTC-Produkten der Fall ist. DTCXO- und RTC-Module eignen sich gut für kompakte Bauformen oder für Fälle, in denen hohe Stabilität oder geringer Stromverbrauch im Vordergrund stehen.

kHz-Quarze und zugehörige Module

Epson stellt eine große Anzahl von kHz-Quarzen sowie DTCXO- und RTC-Modulen her. Einige von ihnen werden im Folgenden mit ihren Spezifikationen kurz beschrieben.

Die Serie FC3215AN von Epson besteht aus 32,768-kHz-Quarzen mit niedrigem ESR-Wert von 35 kΩ in einem kompakten Gehäuse, die für mobile Elektronik und Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen gut geeignet sind. Die Serie FC3215AN ist ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. drahtlose Module, IoT, Medizintechnik, Industrie, Sicherheitsüberwachungsanlagen, intelligente Zähler, Unterhaltungselektronik und energiesparende MCU-Anwendungen. Sie unterstützen einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +105 °C und sind in einem 3,2 mm x 1,5 mm x 0,9 mm großen Gehäuse mit Standard-Pinbelegung erhältlich.

Die 32,768-kHz-Quarze der Serie FC2012AN haben ähnliche Spezifikationen wie die FC3215AN-Serie und sind in einem kleineren Gehäuse von 2,05 mm x 1,2 mm x 0,6 mm mit Standard-Pinbelegung erhältlich. Quarze der Serie FC2012SN (Abbildung 2) eignen sich ebenfalls ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. Wearables, Microcontroller (MCU), Funknetzmodule für IoT, Medizin-, Industrie-, Sicherheitstechnik, intelligente Zähler und vieles mehr.

Abbildung 2: Die Serie FC2012SN von Epson hat einen Temperaturbereich von -40 °C bis +105 °C und ein kompaktes Gehäuse von 2,05 mm x 1,2 mm. (Bildquelle: Epson)

Die Echtzeituhren RX8901CE und RX4901CE von Epson sind vielseitige und hochpräzise Module mit geringem Stromverbrauch, die sich ideal für intelligente Zähler, Sicherheitseinrichtungen und intelligente Beleuchtungsanwendungen eignen. Das integrierte System mit bis zu drei Ereigniseingängen kann zur Erkennung von Ereignissen und zur Aufzeichnung ihres Zeitstempels verwendet werden, während die MCU im Ruhezustand verbleibt, was den Stromverbrauch des Systems reduziert und die Lebensdauer der Batterie verlängert. Die Module können Zeitstempel für 32 Ereignisse entweder im FIFO- oder im Direktmodus aufzeichnen. Sie verbrauchen nur 240 nA bei einer Versorgungsspannung von 3 V und verfügen über einen eingebauten Stromversorgungsschaltkreis, der externe verlustbehaftete Dioden überflüssig macht. Die Module bieten eine Zeitauflösung von bis zu 1/1024stel Sekunde und sind über ihren gesamten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +105°C stabil. Die RX8901CE verfügt über eine I²C-Schnittstelle, während die RX4901CE mit einer 3- oder 4-Draht-SPI-Schnittstelle erhältlich ist.

Die RTCs der Serie RX8804 (Abbildung 3) nutzen die DTCXO-Technologie, um eine Genauigkeit von ±3,4 ppm bzw. ±8 ppm über einen Bereich von -40°C bis +85°C bzw. -40°C bis +105°C zu erreichen.

Abbildung 3: Die stromsparenden RTCs der Serie RX8804 von Epson zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit über einen weiten Temperaturbereich aus. (Bildquelle: Epson)

Die RX8804-Serie hat einen sehr niedrigen Stromverbrauch von typisch 0,35 µA, ist in einem 3,2 mm x 2,5 mm x 1,0 mm großen oberflächenmontierbaren Keramikgehäuse erhältlich und verfügt über einen integrierten Quarz.

Der 32,768-kHz-DTCXO TG-3541CE von Epson schließlich ist eine präzise Taktreferenz, die für Verbraucher- und Industrieanwendungen wie IoT, Wearables, Mobilgeräte, Sensoren, GPS/GNSS, Zähler sowie digitale Gesundheits- und Wellnessgeräte geeignet ist. Speziell für IoT-Anwendungen ermöglicht die hohe Zeitgenauigkeit des TG-3541CE, dass Geräte viel länger im Ruhemodus belassen und seltener reaktiviert werden müssen, sodass die Batterielebensdauer verlängert wird. Darüber hinaus kann mit dem eigenständigen DTCXO das MCU- oder RTC-Timing erheblich verbessert werden, ohne dass Softwareänderungen erforderlich sind. Dies spart Entwicklern Zeit und Ressourcen. Der TG-3541CE ist stromsparend, verbraucht nur 1,0 μA und ist in einem Keramikgehäuse von 3,2 mm x 2,5 mm x 1,0 mm für die Oberflächenmontage erhältlich.

Fazit

Quarze, Oszillatoren, RTCs und DTCXOs sind wichtige Komponenten in Anwendungen zur Frequenzsteuerung. Ob für Wireless-Module, IoT-Produkte, persönliche medizinische Geräte oder Industrieanlagen - das Produktangebot von Epson bietet eine Lösung für anwendungsspezifische Anforderungen.