Tidsmåling er en viktig funksjon i det meste av elektronisk utstyr og tidtakingskomponenter er grunnleggende i de fleste elektroniske kretser. Denne sektoren domineres i dag av kvartsbaserte enheter. De kan effetkvitet generere stabile frekvenser, noe som sikrer presis dataoverføring til en lav kostnad. Med fremveksten av teknologier som 5G og WiFi har behovet for en bedre brukeropplevelse bare økt. Derfor er det viktig å finne en tidtakerløsning som passer til OEM-produsentenes (Original Equipment Manufacturers) og applikasjonenes høye ytelseskrav.
De to vanligste frekvensenhetene som brukes i tidsstyringsapplikasjoner er kvartskrystaller og oscillatorer. Krystaller er passive komponenter og kan bare fungere når de er koblet til en ekstern oscillatorkrets, noe som vanligvis finnes i de fleste mikroprosessorer. En oscillator krever derimot ingen eksterne kretser for å fungere, da den består av en resonanskrystall og en oscillator-IC i én og samme enhet. Oscillatorer er godt egnet for frekvensstyring fordi de krever mindre kunnskap om design for å kunne implementeres som en alt-i-ett-løsning. Erfarne designere foretrekker likevel kvartskrystaller da de kan velge den beste krystallen for optimalisert ytelse.
Valg av riktig frekvensenhet handler imidlertid om mer enn bare driftstype; det avhenger i stor grad av egenskapene til krystaller og oscillatorer, noe vi kommer til gå nærmere gjennom nedenfor.
Hva kjennetegner en god tidsmåler?
Driftsfrekvens: Hver applikasjon har et tilsvarende driftsfrekvensområde, da det er avgjørende å sikre at signalene ikke overlapper hverandre. For eksempel brukes frekvensen 32 768 kHz for digitale klokker, mens 26 MHz er avgjørende for GPS-funksjoner. 13 MHz brukes i GSM, og 13 560 MHz brukes ofte for å identifisere radiofrekvensen (RFID). Når man skal velge krystaller og oscillatorer, er det avgjørende å velge en frekvensenhet som er tilpasset den spesifikke applikasjonen.
Frekvensstabilitet: Alle krystaller har en egen resonansfrekvens, noe som skyldes krystallens medfødte piezoelektriske egenskaper. Frekvensstabilitet er det normale avviket fra den nominelle frekvensen. Dette avviket kan skyldes ulike eksterne faktorer, først og fremst temperaturvariasjoner, men også svingninger i forsyningsspenning, belastningskapasitans eller til og med overskuddsvarme på grunn av lodding.
Strammere stabilitetskomponenter finjusteres for å gi mer nøyaktig timing enn komponenter med større stabilitetsområder. I IQDs produktutvalg er det mange alternativer å velge mellom, inkludert temperaturkompenserte oscillatorer (TCXO) med stabilitet helt ned til ±0,05 ppm, eller ovnskontrollerte oscillatorer (OCXO) som IQOV-164 med stabiliteter på ±20 ppm.
Temperaturterskel: Temperatur er den eksterne faktoren som har størst innvirkning på ytelsen til tidsstyringsenheter. Når temperaturen varierer, endres også frekvensen. Frekvensens bevegelse er gitt av et begrep som kalles frekvensstabilitet. Stabilitetsnøyaktigheten til kvarts er avhengig av vinkelen som kvartsstaven skjæres i under produksjonen. Små endringer i skjærevinkelen bestemmer ytelsen som oppnås i forhold til temperaturen.
Nedenfor er en tabell over noen av de vanligste bruksområdene med tilhørende driftstemperaturområde.
| Bruksområder | Driftstemperaturområde |
| Kommersiell bruk i bilbransjen, grad 4 | 0 til 70ºC |
| Utvidet kommersiell bruk | -20 til 70ºC |
| Industriell bruk i bilbransjen, grad 3 | -40 til 85ºC |
| Utvidet industriell bruk i bilbransjen, grad 2 | -40 til 105ºC |
| Til bruk i bilbransjen, grad 1 | -40 til 125ºC |
| Militær bruk/bruk i bilbransjen, grad 0 | -55 til 125ºC og over |
De populære IQXC-180 Auto, CFPX-180 og IQXC-42 som brukes i bilindustrien, har alle et bredt temperaturområde fra -40 til 125 °C og flere andre snevrere temperaturområder.
Fasestøy og jitter: Med fasestøy menes tilfeldige svingninger i fasen eller frekvensen til et signal. Det kan forstyrre nøyaktigheten og oppløsningen, og påvirke signal/støy-forholdet (SNR) negativt. Jitter, derimot, introduserer inkonsekvenser i signalets tidsdomene og kan føre til bitfeilrate (BER). Avhengig av den spesifikke applikasjonen bør designeren velge en tidsenhet som har både lav fasestøy og jitter. Disse faktorene er viktige i noen av de mest fremtredende bruksområdene, som navigasjon, digital kommunikasjon, lydbehandling og radarteknologi.
Pakkedimensjon: Pakningsstørrelsen på komponentene har stor betydning for utformingen av kretskort (PCB). Etter hvert som forbrukerapparatene blir mindre, blir det viktig å velge interne komponenter av passende størrelse. Selv om krystaller er mindre enn tilsvarende oscillatorer, krever de ekstra kondensatorer og kretser for å generere en tidspuls. Derfor kan oscillatorer være det foretrukne alternativet når det er begrenset med plass i kretsdesignet – fordi det er en alt-i-ett-pakke reduserer de PCB-plassen.
IQDs katalog består av både krystaller og oscillatorer som er hermetisk forseglet, noe som gjør dem mer robuste, og som er tilgjengelige i SMD-pakker som er så små som 1,6 x 1,0 mm, 1,6 x 1,2 mm i tillegg til den industrielle standardstørrelsen 2,0 x 1,6 mm.
Type utgangssignal for oscillatorer: Brikkesettleverandørene må spesifisere riktig inngangssignal for sin enhet. Oscillatorens utgang kan være av én ende- eller differensialtypen. Enkle utganger brukes spesielt for frekvenser under ca. 100 MHz, mens differensialutganger brukes for høye frekvenser for å redusere den totale systemstøyen.
Det bør også legges vekt på å tilpasse oscillatorens utgangssignal til riktig belastning, ellers kan det oppstå problemer med signalamplitude, stignings- og falltider, driftssyklus og oppstartstid. Nedenfor vises vanlige enkle utgangstyper for en oscillator:
• CMOS (complementary metal oxide semiconductor)
• HCMOS (high-speed CMOS)
• LVCMOS (low-voltage CMOS)
Differensialutganger er mer kompliserte å konstruere, men gir overlegen ytelse i høyfrekvente applikasjoner, ettersom all støy som er felles for det differensielle signalet, oppheves. Differensielle signaltyper inkluderer:
• PECL (positive emitter-coupled logic)
• LVPECL (low-voltage PECL)
• CML (current-mode logic)
• LVDS (low-voltage differential signalling)
• HCSL (high-speed current-steering logic)
Oscillatorer med lavt strømforbruk: Mange oscillatorer har en innebygd aktiverings-/deaktiveringspinne som en grunnleggende del av funksjonaliteten. Når enheten deaktiveres, slutter den interne oscillatoren å fungere og går over i standby-modus som bruker mindre strøm. Dette er spesielt gunstig ettersom mange elektronikkprodusenter prioriterer energieffektivitet, spesielt i små batteridrevne enheter. Oscillatorer som er optimalisert for lavspenningsforsyning, er derfor de beste komponentene når fokuset er på lavt strømforbruk.
Kostnadshensyn: En enkeltkrystallpakke vil være mer kostnadseffektiv enn en oscillator. Når man tar hensyn til utviklings- og komponentkostnader, kan oscillatorer imidlertid vise seg å være et økonomisk alternativ i kretsdesign. I visse tilfeller kan beslutningen om å bruke krystaller vise seg å bli enda mer kostbar, spesielt hvis tjenester og testing er utkontraktert. Det er viktig å ikke overse de ekstra utgiftene til tilleggskomponenter som lastkondensatorer og motstander, samt prosesser som kretskortrespinning for bedre signalytelse.
Dessuten er kvartskrystaller bedre egnet i situasjoner der produsenter ønsker å lage sine egne elektroniske oscillatorer, noe som gir dem fleksibilitet til å optimalisere alle relevante parametere i henhold til deres spesifikke prosjekter. I motsetning har oscillatorer den fordelen at de reduserer materiallisten (BOM) og PCB-plassen. Beslutninger som påvirkes av kostnader, kan derfor være begrunnet i kvaliteten på applikasjonene og produksjonsomfanget.
FAQs
Resonansfunksjonen til en kvartskrystall oppnås ved å skjære den i en passende retning i forhold til kvartsstavenes krystallografiske akse. Denne aksen bidrar til å definere koordinatene til krystallgitteret. Dette betegnes tradisjonelt som en krystallblank, som deretter plasseres mellom to elektroder for å sende en vekselspenning gjennom den. På grunn av krystallens piezoelektriske egenskaper fører den påførte spenningen til en mekanisk forskyvning i krystallen, noe som får den til å vibrere.
Når frekvensen til den påførte spenningen er på linje med krystallens mekaniske resonans, blir vibrasjonsamplituden stor. Dette fører også til en økning i medfølgende strøm, noe som fører til en reduksjon i størrelsen på enhetens effektive impedans. Samtidig øker også forskyvningsstrømmen, noe som ytterligere bidrar til å redusere størrelsen på den effektive impedansen. Den plutselige endringen i impedans når spenningen og resonansfrekvensen varierer, er den viktigste faktoren ved bruk av kvartskrystaller som frekvensstyringselement i krystalloscillatorer.
I motsetning fungerer oscillatorer med en annen mekanisme enn krystaller, ved hjelp av en omvendt piezoelektrisk effekt. Det påtrykte elektriske feltet vil indusere mekanisk deformasjon i noen materialer, og dermed utnyttes den vibrerende krystallens resonans til å generere et elektrisk signal med en bestemt frekvens. Det grunnleggende skillet mellom de to tidskomponentene er at krystaller i seg selv ikke har like mange funksjoner som oscillatorer; en krystall er en komponent som brukes i konstruksjonen av en oscillator.
Oppstartstiden angir hvor lang tid det tar for en oscillator å oppnå sin resonansfrekvens ved første tilførsel av strøm. Vanligvis bør oppstartstiden for oscillatorer være så lav som noen få millisekunder (ms).
Oppstartstid er et vanligere problem for lavfrekvente krystaller enn for høyfrekvente krystaller. Oppstartstiden påvirkes også i stor grad av strømforsyningens stigetid. En raskere stigetid gir en raskere oppstartsperiode sammenlignet med en krystall med langsommere stigetid. Oppstartstiden kan også føre til utilstrekkelig sløyfeforsterkning.
Vil du vite mer om krystaller og oscillatorer? Hør den andre episoden av KnowHow-podkasten vår nedenfor, der vi tar en prat med IQDs tekniske direktør, Nick Amey. Du kan også lese artikkelen vår.
Dette innlegget er skrevet av Application Support-teamet hos IQD Frequency Products.
