Guida del progettista per la scelta di un cristallo nell'intervallo dei kHz

Oggi, i prodotti con temporizzazione integrata sono estremamente diffusi e caratteristici della società moderna. Per tenere il tempo con precisione servono un dispositivo come un cristallo di quarzo che oscilla a una frequenza precisa e un circuito integrato (CI) che lo controlli. Un modulo di clock racchiuso in un contenitore include in genere sia il cristallo sia il circuito integrato di controllo. I circuiti degli oscillatori elettronici possono essere prodotti per frequenze che vanno dai kilohertz (kHz) ai megahertz (MHz).

I cristalli nell'intervallo dei kHz possono essere venduti autonomi o integrati in altri prodotti come oscillatori a cristallo (CXO), oscillatori a cristallo digitali a compensazione di temperatura (DTCXO) e clock in tempo reale (RTC).

Fattori che determinano la scelta di un cristallo nell'intervallo dei kHz

Anche se le dimensioni e la frequenza richiesta sono i fattori più importanti da prendere in considerazione quando per un'applicazione si sceglie un cristallo nell'intervallo dei kHz, vi sono anche altri parametri essenziali per progettare il circuito giusto.

Tra questi ci sono:

• Tolleranza della frequenza, stabilità e invecchiamento
• Capacità di carico (CL)
• Resistenza equivalente in serie (ESR)
• Livello di pilotaggio (DL)
• Temperatura di funzionamento

I cristalli nell'intervallo dei kHz sono in genere dotati di requisiti di circuito integrato specifici per l'applicazione (ASIC) che elencano i valori dei parametri richiesti. Le informazioni ASIC possono fornire un solido punto di partenza per la progettazione del circuito. Data la tendenza verso la miniaturizzazione dei circuiti elettronici, i progettisti devono prestare particolare attenzione ai fattori sopra elencati perché le dimensioni e la densità dei componenti possono influenzare le proprietà e le prestazioni dei cristalli. I processi di produzione fotolitografica garantiscono tuttavia che la miniaturizzazione dei circuiti degli oscillatori a cristallo non comprometta i parametri necessari per un funzionamento efficiente.

Tolleranza della frequenza, stabilità e invecchiamento

Anche se un cristallo specifica una certa frequenza, possono verificarsi scostamenti a causa di sollecitazioni incontrate durante il processo di produzione o sulle superfici nel corso del funzionamento abituale. Le variazioni rispetto ai valori di frequenza specificati possono essere riassunte valutando tre parametri: tolleranza della frequenza, stabilità della frequenza e invecchiamento.

La tolleranza della frequenza è definita come la differenza tra la frequenza effettiva di un cristallo e la sua frequenza nominale a +25 °C. La stabilità della frequenza è la variazione della frequenza massima indotta dalla temperatura che può verificarsi in un intervallo di temperatura impostato. Per ottenere una maggiore precisione da un cristallo, si consiglia di utilizzare un XO nell'intervallo dei kHz, che tiene conto delle variazioni della frequenza in funzione della temperatura (Figura 1) ed è calibrato di conseguenza. Infine, l'invecchiamento è la deriva della frequenza nel tempo. La sigillatura ermetica riduce gli effetti dell'invecchiamento ma può aumentare le dimensioni.

Figura 1: La frequenza dell'oscillatore cambia in base alla temperatura e ne va tenuto conto nel processo di selezione, soprattutto quando l'applicazione viene utilizzata in ambienti estremi. (Immagine per gentile concessione di Epson tramite IEEE)

Capacità di carico (CL)

La capacità tra i due terminali di un cristallo è la sua capacità di carico. I progettisti devono tener conto della capacità parassita esterna, che può causare la deriva della frequenza.

L'attenzione a una discrepanza tra la CL e la capacità del circuito diventa particolarmente importante quando si utilizzano cristalli fisicamente più piccoli, che sono più sensibili alle variazioni della capacità. I cristalli a bassa CL sono anche particolarmente sensibili alla frequenza. Per progettare circuiti più piccoli per spazi ristretti, i progettisti di solito scelgono cristalli con una grande CL.

Livello di pilotaggio (DL)

DL è la quantità di corrente necessaria per mantenere un'oscillazione costante, contenendo al minimo i danni strutturali. Per evitare frequenze inaffidabili o guasti prematuri, si consiglia di scegliere un cristallo con un DL che soddisfi o superi il livello di pilotaggio di un determinato circuito.

Temperatura di funzionamento

La temperatura influisce sulla frequenza oltre ciò che potrebbe essere specificato nei numeri della stabilità della frequenza. Oltre a dover tener conto della temperatura di funzionamento generale del circuito, i progettisti devono considerare anche la posizione del cristallo nel circuito poiché alcune aree potrebbero essere più soggette a riscaldarsi rispetto ad altre. Inoltre, più piccoli sono il circuito e il cristallo, maggiori sono la densità dei componenti e il calore generato dall'intero sistema. In questi casi, è preferibile utilizzare un cristallo che sia calibrato meglio per un intervallo di temperature, come i prodotti DTCXO o RTC. I moduli DTCXO e RTC funzionano bene nei progetti compatti o quando è prioritario avere un'elevata stabilità o un basso consumo.

Cristalli nell'intervallo dei kHz e moduli correlati

Epson produce un gran numero di cristalli nell'intervallo dei kHz, nonché moduli DTCXO e RTC. Alcuni di essi sono descritti di seguito con le relative specifiche.

I cristalli a 32.768 kHz della serie FC3215AN di Epson hanno una bassa ESR di 35 kΩ in un contenitore compatto, caratteristica critica per l'elettronica portatile e applicazioni con vincoli di spazio. La serie FC3215AN è ideale per una varietà di applicazioni, come moduli wireless, IoT, medicina, industria, apparecchiature di sorveglianza e sicurezza, smart meter, elettronica consumer ed MCU a bassa potenza. Supportano un intervallo esteso della temperatura di funzionamento da -40 °C a +105 °C e sono disponibili in un contenitore di 3,2 x 1,5 x 0,9 mm con piedinatura standard.

I cristalli a 32.768 kHz della serie FC2012AN condividono specifiche simili a quelle della serie FC3215AN e sono disponibili in un contenitore più piccolo di 2,05 x 1,2 x 0,6 mm con piedinatura standard. Analogamente, i cristalli della serie FC2012SN (Figura 2) sono ideali per diverse applicazioni, come dispositivi indossabili, MCU e moduli wireless per applicazioni IoT, dispositivi medici, industriali, di sicurezza, smart meter e altre ancora.

Figura 2: La serie Epson FC2012SN presenta un intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e +105 °C in un contenitore compatto di 2,05 x 1,2 mm. (Immagine per gentile concessione di Epson)

I clock in tempo reale RX8901CE e RX4901CE di Epson sono moduli versatili e ad alta precisione con basso consumo energetico, ideali per smart meter, apparecchiature di sicurezza e applicazioni di illuminazione intelligente. Il sistema integrato con un massimo di tre ingressi di eventi può essere utilizzato per rilevare eventi e registrarne l'indicatore di data e ora mentre l'MCU rimane in modalità di sospensione, riducendo il consumo energetico del sistema per una maggiore durata della batteria. I moduli possono registrare gli indicatori di data e ora per 32 eventi in modalità FIFO o diretta. Consumano solo 240 nA da un'alimentazione a 3 V e sono dotati di un circuito di commutazione dell'alimentatore incorporato che elimina la necessità di diodi esterni e le perdite. I moduli offrono una risoluzione temporale di appena 1/1024esimo di secondo e sono altamente stabili nell'intero intervallo di temperatura di funzionamento (da -40 °C a +105 °C). RX8901CE è dotato di un'interfaccia I²C, mentre RX4901CE è disponibile con SPI a 3 o 4 fili.

Gli RTC serie RX8804 (Figura 3) utilizzano la tecnologia DTCXO per ottenere una precisione di ±3,4 ppm o ±8 ppm in un intervallo compreso, rispettivamente, tra -40 °C e +85 °C o tra -40 °C e +105 °C.

Figura 3: Gli RTC a basso consumo della serie RX8804 di Epson sono caratterizzati da un'elevata precisione in un ampio intervallo di temperatura. (Immagine per gentile concessione di Epson)

La serie RX8804 ha un bassissimo consumo, 0,35 µA tipico, è disponibile in un contenitore ceramico a montaggio superficiale di 3,2 x 2,5 x 1,0 mm e include un cristallo incorporato.

Infine, il DTCXO da 32,768 kHz TG-3541CE di Epson è un misuratore di frequenza di precisione adatto per applicazioni consumer e industriali tra cui IoT, dispositivi indossabili, dispositivi mobili, sensori, GPS/GNSS, contatori delle utenze e salute e benessere digitali. Specificamente per le applicazioni IoT, la precisione del tempo di TG-3541CE consente ai dispositivi di rimanere inattivi molto più a lungo e di riattivarsi meno di frequente per prolungare la durata della batteria. Inoltre, il DTCXO autonomo può migliorare in modo significativo la temporizzazione dell'MCU o dell'RTC senza modifiche al software, consentendo ai progettisti di risparmiare molto tempo e risorse. TG-3541CE ha un consumo di soli 1,0 μA ed è disponibile in un contenitore ceramico a montaggio superficiale di 3,2 x 2,5 x 1,0 mm.

Conclusione

Cristalli, oscillatori, RTC e DTCXO sono componenti vitali nelle applicazioni di controllo della frequenza. Che si tratti di moduli wireless, prodotti IoT, dispositivi medici personali o apparecchiature industriali, nell'offerta di prodotti di Epson si può trovare una soluzione che soddisfi i requisiti specifici dell'applicazione.