Il cronometraggio costituisce un elemento cruciale per la maggior parte dei circuiti elettronici, e i componenti di temporizzazione sono un punto fermo in questo contesto. Attualmente, il settore della temporizzazione è prevalentemente dominato dai dispositivi al quarzo. Questo successo è dovuto alla loro efficienza nel generare frequenze stabili, garantendo una trasmissione precisa dei dati a un costo contenuto. Con l’avvento di tecnologie come il 5G e il Wi-Fi, la necessità di migliorare la qualità dell’esperienza degli utenti finali è ancor più rilevante. Diventa, pertanto, imperativo selezionare la soluzione di temporizzazione adeguata che si integri perfettamente con le applicazioni all’avanguardia e soddisfi le esigenze di alte prestazioni dei produttori di apparecchiature originali (OEM) e dei progettisti.
I cristalli di quarzo e gli oscillatori rimangono i due dispositivi di frequenza comunemente utilizzati nelle applicazioni di temporizzazione. I cristalli sono componenti passivi che possono operare solo quando sono collegati a un circuito oscillatore esterno, tipicamente incluso nella maggior parte dei microprocessori Al contrario, un oscillatore non richiede circuiti esterni per funzionare, poiché è costituito da un cristallo risonante e da un circuito integrato di oscillazione, formando un unico dispositivo. Gli oscillatori rappresentano l’opzione preferita per il controllo della frequenza, poiché richiedono meno conoscenze di progettazione per essere implementati come soluzione completa. Tuttavia, i cristalli di quarzo sono la scelta prediletta dei progettisti esperti che possiedono l’esperienza necessaria per selezionare il cristallo ottimale, migliorando così le prestazioni complessive dell’oscillatore.
La selezione del dispositivo di frequenza adatto per un funzionamento ottimale non è limitata solo al tipo di funzionamento, ma dipende ampiamente dalle caratteristiche specifiche dei cristalli e degli oscillatori, che saranno esaminate di seguito.
Quali sono gli elementi che caratterizzano un buon temporizzatore?
La frequenza operativa: Ogni applicazione ha un intervallo di frequenza operativa corrispondente, garantendo l’assenza di sovrapposizioni di segnali. Ad esempio, la frequenza di 32,768 kHz è utilizzata per fornire la temporizzazione degli orologi digitali, mentre 26 MHz sono essenziali per il funzionamento del GPS. La frequenza di 13 MHz è impiegata nel GSM, mentre quella di 13,560 MHz è comunemente utilizzata per l’identificazione a radiofrequenza (RFID). La scelta di un dispositivo di frequenza in linea con l’applicazione specifica è un fattore critico nella selezione di cristalli e oscillatori.
La stabilità di frequenza, intesa come la deviazione normale dalla frequenza nominale, è una caratteristica fondamentale di ogni cristallo, determinata dalla sua intrinseca frequenza di risonanza dovuta alle proprietà piezoelettriche innate. Questa deviazione può derivare da vari fattori esterni, principalmente variazioni di temperatura, ma anche fluttuazioni della tensione di alimentazione, il valore della capacità di carico o persino l’eccesso di calore dovuto alle saldature.
I componenti con una stabilità più stretta sono regolati per fornire una temporizzazione più precisa rispetto a quelli con intervalli di stabilità più ampi. All’interno della vasta gamma di prodotti offerti da IQD, è possibile selezionare tra numerose opzioni, inclusi gli oscillatori a compensazione di temperatura (TCXO) con una stabilità fino a ±0,05 ppm e gli oscillatori controllati da forno (OCXO) come l’IQOV-164, che offre una stabilità di ±20 ppb.
La soglia di temperatura: rappresenta il fattore esterno più influente sulle prestazioni dei dispositivi di temporizzazione. Con il variare della temperatura, la frequenza subisce uno spostamento, determinato dalla stabilità di frequenza. L’accuratezza della stabilità del quarzo è influenzata dall’angolo di taglio della barra di quarzo durante il processo di produzione. Piccole variazioni in questo angolo di taglio influenzano le prestazioni in relazione alla temperatura.
Di seguito è presentata una tabella delle temperature di funzionamento per alcune comuni applicazioni:
| Applicazioni | Intervallo di Temperatura di Esercizio |
| Commerciale, automobilistico Grado 4 | Da 0 a 70ºC |
| Commerciale esteso | Da -20 a 70ºC |
| Industriale, automobilistico Grado 3 | Da -40 a 85ºC |
| Industriale esteso, automobilistico Grado 2 | Da -40 a 105ºC |
| Grado automobilistico 1 | Da -40 a 125ºC |
| Militare/Automotive Grado 0 | Da -55 a 125ºC e oltre |
I modelli popolari come l’IQXC-180 Auto, il CFPX-180 e l’IQXC-42, utilizzati nelle applicazioni automobilistiche, presentano un’ampia gamma di temperature operative che va da -40 a 125ºC, oltre a diversi altri intervalli di temperatura più ristretti.
Rumore di fase e jitter: Il rumore di fase si riferisce alla fluttuazione casuale della fase o della frequenza di un segnale, con il potenziale di compromettere la precisione e la risoluzione, influenzando negativamente il rapporto segnale/rumore (SNR). D’altra parte, il jitter introduce incongruenze nel dominio del tempo del segnale e può portare a tassi di errore di bit (BER). A seconda dell’applicazione specifica, il progettista deve selezionare un dispositivo di temporizzazione con basso rumore di fase e basso jitter, fattori cruciali in ambiti come la navigazione, la comunicazione digitale, l’elaborazione audio e la tecnologia radar.
Dimensione del pacchetto: La dimensione del pacchetto dei componenti riveste un’importanza significativa nelle considerazioni di progettazione dei circuiti stampati (PCB). Poiché i gadget di consumo continuano a ridursi, la scelta di componenti interni di dimensioni adeguate diventa fondamentale. Sebbene i cristalli siano più compatti rispetto alle loro controparti oscillanti, richiedono condensatori e circuiti aggiuntivi per generare un impulso di temporizzazione. Pertanto, gli oscillatori possono rappresentare l’opzione preferita quando lo spazio è limitato nella progettazione dei circuiti, in quanto riducono l’ingombro della scheda essendo un pacchetto all-in-one.
Il catalogo di IQD comprende sia cristalli che oscillatori sigillati ermeticamente, conferendo loro maggiore robustezza. Sono disponibili in pacchetti SMD di dimensioni ridotte (1,6 x 1,0 mm, 1,6 x 1,2 mm), oltre alle dimensioni standard industriali (2,0 x 1,6 mm).
Tipo di segnale di uscita per gli oscillatori: I fornitori di chipset devono specificare l’ingresso corretto per il loro dispositivo di temporizzazione. L’uscita di un oscillatore può essere di tipo single-ended o differenziale. Le uscite single-ended sono particolarmente adatte per frequenze inferiori a circa 100 MHz, mentre le uscite differenziali sono preferite per le alte frequenze al fine di ridurre il rumore complessivo del sistema.
Un altro aspetto critico è l’abbinamento del segnale di uscita dell’oscillatore con il carico corretto; in caso contrario, potrebbero sorgere problemi relativi all’ampiezza del segnale, ai tempi di salita e discesa, al duty cycle e al tempo di avvio. Di seguito sono elencati i tipi di uscita single-ended più comuni di un oscillatore:
• CMOS (complementary metal oxide semiconductor)
• HCMOS (high-speed CMOS)
• LVCMOS (low-voltage CMOS)
Le uscite differenziali sono relativamente più complesse da progettare, ma offrono prestazioni superiori nelle applicazioni ad alta frequenza, poiché il rumore comune al segnale differenziale si annulla. I tipi di segnale differenziale includono:
• PECL (positive emitter-coupled logic)
• LVPECL (low-voltage PECL)
• CML (current-mode logic)
• LVDS (low-voltage differential signalling)
• HCSL (high-speed current-steering logic)
Funzionamento a basso consumo per gli oscillatori: Molti oscillatori sono dotati di un pin di abilitazione/disabilitazione integrato, componente fondamentale della loro funzionalità. Quando il dispositivo viene disattivato, l’oscillatore interno cessa di funzionare, passando a una modalità di standby che consuma meno corrente. Ciò è particolarmente vantaggioso, poiché molti produttori di elettronica prioritizzano l’efficienza energetica, soprattutto nei dispositivi a batteria di piccole dimensioni. Pertanto, gli oscillatori ottimizzati per l’alimentazione a bassa tensione sono i componenti più adatti quando l’attenzione è rivolta a considerazioni di bassa potenza.
Problemi di costo: Un pacchetto a cristallo singolo è più economico di un oscillatore. Tuttavia, se si considerano le spese di progettazione e i costi dei componenti, gli oscillatori possono rappresentare un’opzione economica nella progettazione dei circuiti. In alcuni scenari, la decisione di utilizzare i cristalli può rivelarsi ancora più costosa, soprattutto se i servizi e i test vengono affidati all’esterno. È importante non trascurare le spese aggiuntive derivanti da componenti supplementari, come condensatori di carico e resistenze, nonché dai processi come il respinning dei circuiti stampati per migliorare le prestazioni del segnale.
Inoltre, i cristalli di quarzo sono più adatti in situazioni in cui i produttori desiderano creare i propri oscillatori elettronici, offrendo loro la flessibilità di ottimizzare tutti i parametri pertinenti in base ai loro progetti specifici. Al contrario, gli oscillatori presentano il vantaggio di ridurre la Distinta Base (BOM) e l’ingombro dei circuiti stampati. Pertanto, le decisioni influenzate dal costo possono essere basate sulla qualità delle applicazioni e sulla scala di produzione.
Domande frequenti
La funzione di risonanza di un cristallo di quarzo si ottiene tagliandolo con un orientamento appropriato rispetto all’asse cristallografico delle barre di quarzo. Questo asse aiuta a definire le coordinate del reticolo cristallino ed è tradizionalmente designato come cristallo grezzo. Successivamente, il cristallo grezzo viene posizionato tra due elettrodi per far passare una tensione alternata attraverso di esso. Grazie alle proprietà piezoelettriche del cristallo, la tensione applicata determina uno spostamento meccanico del cristallo, facendolo vibrare.
Quando la frequenza della tensione applicata si allinea alla risonanza meccanica del cristallo, l’ampiezza della vibrazione diventa significativa. Ciò porta ad un aumento della corrente di accompagnamento, causando una diminuzione della grandezza dell’impedenza effettiva del dispositivo. Contemporaneamente, anche la corrente di spostamento aumenta, contribuendo ulteriormente alla diminuzione dell’impedenza effettiva. L’improvvisa variazione dell’impedenza al variare della tensione e della frequenza di risonanza è il fattore chiave dell’applicazione dei cristalli di quarzo come elemento di controllo della frequenza negli oscillatori a cristallo.
Al contrario, gli oscillatori operano con un meccanismo diverso rispetto a quello dei cristalli, utilizzando un effetto piezoelettrico inverso. Il campo elettrico applicato indurrà una deformazione meccanica in alcuni materiali, sfruttando la risonanza del cristallo vibrante per generare un segnale elettrico di una particolare frequenza. La distinzione fondamentale tra i due componenti è che i cristalli non sono intrinsecamente multifunzionali come gli oscillatori; un cristallo è un componente utilizzato nella costruzione di un oscillatore.
Il tempo di avvio indica la durata necessaria affinché un oscillatore raggiunga la sua frequenza di risonanza dopo l’applicazione iniziale dell’alimentazione. In genere, il tempo di avvio degli oscillatori dovrebbe essere di pochi millisecondi (ms).
Il tempo di avvio è una problematica più comune associata ai cristalli a bassa frequenza rispetto alle loro controparti ad alta frequenza. I tempi di avvio sono influenzati anche dal tempo di salita dell’alimentazione. Un tempo di salita più rapido comporta un periodo di avvio più veloce rispetto a un cristallo con un tempo di salita più lento. Il tempo di avvio può anche influenzare il guadagno dell’anello.
Per saperne di più su cristalli e oscillatori, ascoltate il secondo episodio del podcast KnowHow qui sotto, dove abbiamo parlato con il direttore tecnico di IQD, Nick Amey. In alternativa, potete leggere il nostro articolo
Questo articolo è stato redatto dal team di supporto alle applicazioni di IQD Frequency Products.
