Los productos de cronometraje son casi omnipresentes y una parte importante de la sociedad moderna. La sincronización precisa requiere un dispositivo como un cristal de cuarzo que oscile a una frecuencia precisa, así como un circuito integrado (IC) que controle el dispositivo. Los módulos de reloj empaquetados normalmente contienen circuitos integrados de control y de cristal. Los circuitos osciladores electrónicos varían en frecuencia desde kilohercios (kHz) hasta megahercios (MHz).
Los cristales KHz se pueden vender por separado o integrarse en otros productos como osciladores de cristal (CXO), osciladores de cristal con compensación de temperatura digital (DTCXO) y reloj en tiempo real (RTC).
Factores que determinan la selección de cristales de kHz.
Al seleccionar cristales de kHz para una aplicación, el tamaño y la frecuencia requerida son las consideraciones más importantes, pero algunos otros parámetros también son importantes para diseñar circuitos adecuados.
Estos incluyen:
Tolerancia de frecuencia, estabilidad y envejecimiento
Capacitancia de carga (CL)
Resistencia en serie equivalente (ESR)
Nivel de conducción (DL)
temperatura de trabajo
Los cristales de KHz suelen tener requisitos ASIC, que enumeran los valores de los parámetros requeridos. La información ASIC proporciona un punto de partida sólido para el diseño de circuitos. La tendencia hacia la miniaturización de los circuitos electrónicos significa que los diseñadores deben prestar especial atención a estos factores porque el tamaño y la densidad de los componentes afectan las características y el rendimiento de los cristales. Sin embargo, el proceso de fabricación de fotolitografía garantiza que la miniaturización de los circuitos osciladores de cristal no afecte los parámetros necesarios para su funcionamiento eficiente.
Tolerancia de frecuencia, estabilidad y envejecimiento
Aunque un cristal especifica una frecuencia específica, pueden ocurrir desviaciones de frecuencia debido a tensiones en el proceso de fabricación o tensiones en la superficie durante la operación de rutina. La desviación de frecuencia se puede resumir evaluando tres parámetros: tolerancia de frecuencia, estabilidad de frecuencia y envejecimiento.
La tolerancia de frecuencia se define como la diferencia entre las frecuencias real y nominal del cristal a +25 ° C. La estabilidad de frecuencia se refiere al cambio de frecuencia máximo causado por la temperatura dentro del rango de temperatura establecido. Para mejorar la precisión del cristal, se recomienda utilizar kHz XO, que permite el cambio de frecuencia con la temperatura (Fig. 1) y se calibra en consecuencia. Por último, el envejecimiento es una variación de la frecuencia con el tiempo. Los sellos reducen los efectos del envejecimiento pero pueden aumentar el tamaño.
Gráfico de frecuencia del oscilador versus temperatura
Figura 1: La frecuencia del oscilador varía con la temperatura y debe considerarse en el proceso de dimensionamiento, particularmente para ambientes extremos. Fuente de la imagen: Epson proporcionada a través de IEEE)
Capacitancia de carga (CL)
La capacitancia entre dos terminales de un cristal es su capacitancia de carga. Los diseñadores deben considerar la capacitancia parásita externa, ya que provoca una deriva de frecuencia.
La falta de coincidencia entre CL y la capacitancia del circuito es de particular preocupación cuando se utilizan cristales más pequeños porque los cristales más pequeños son más sensibles a las variaciones de capacitancia. Los cristales con valores de CL bajos también son particularmente sensibles a la frecuencia. Para diseñar circuitos pequeños en espacios reducidos, los diseñadores suelen seleccionar cristales con valores CL más altos.
Nivel de conducción (DL)
DL es la cantidad de corriente necesaria para mantener una oscilación constante y al mismo tiempo minimizar el daño estructural. Se recomienda seleccionar cristales con un valor DL igual o mayor que el nivel de control del circuito dado para evitar inestabilidad de frecuencia o fallas prematuras.
temperatura de trabajo
La influencia de la temperatura sobre la frecuencia excede el rango especificado por el índice de estabilidad de frecuencia. Los diseñadores deben considerar no sólo la temperatura de funcionamiento de todo el circuito, sino también la ubicación de los cristales en el circuito, porque algunas áreas son más fáciles de calentar que otras. Además, cuanto más pequeños sean el circuito y el cristal, más compacto será el paquete de componentes y más calor generará todo el sistema. En este caso, es mejor utilizar cristales que estén mejor calibrados en un determinado rango de temperatura, como los productos DTCXO o RTC. Los módulos DTCXO y RTC funcionan bien en diseños compactos y también pueden resultar ventajosos en aplicaciones que requieren alta estabilidad o bajo consumo de energía.
Cristales KHz y módulos asociados.
Epson produce una gran cantidad de cristales kHz, así como módulos DTCXO y RTC. Algunos de estos productos y sus especificaciones se presentan brevemente a continuación.
La serie FC3215AN es un cristal de 32,768 kHz con una ESR tan baja como 35 k Ω y un paquete compacto, lo que la hace ideal para electrónica portátil y aplicaciones con espacio limitado. La serie FC3215AN es aplicable a diversas aplicaciones, como módulos inalámbricos, Internet de las cosas, equipos médicos, industriales, de monitoreo de seguridad, medidores inteligentes, electrónica de consumo y aplicaciones MCU de bajo consumo. La gama admite un rango de temperatura de funcionamiento ampliado de -40 °C a +105 °C con encapsulación de 3,2 mm x 1,5 mm x 0,9 mm y asignaciones de pines estándar.
Los cristales de 32,768 kHz de la serie FC2012AN son similares a las especificaciones de la serie FC3215AN, pero utilizan paquetes más pequeños de 2,05 mm x 1,2 mm x 0,6 mm y asignaciones de pines estándar. De manera similar, la serie de cristales FC2012SN (Figura 2) es muy adecuada para una variedad de aplicaciones, como dispositivos portátiles MCU y módulos inalámbricos en los campos de Internet de las cosas, tratamiento médico, industria, seguridad, medidores inteligentes, etc.