Att mäta och hålla tiden är en viktig funktion i de flesta elektroniska prylar, och tidskomponenter är standard i huvuddelen av de elektroniska kretsarna. Tidmätningsbranschen domineras idag främst av kvartsbaserade enheter, eftersom de på effektivt sätt kan generera stabila frekvenser. Detta säkerställer exakt dataöverföring till låga kostnader. Med framväxten av teknik som 5G and Wi-Fi ökar behovet av att förbättra upplevelsen för slutanvändare. Därför är det avgörande att väja rätt lösning för tidmätning som perfekt kompletterar de toppmoderna applikationerna från tillverkare av originalutrustning (OEM) och konstruktörerna samt uppfyller kraven på hög prestanda.
De två frekvensenheter som vanligtvis används för tidmätning är kvartskristaller och oscillatorer. Kristaller är passiva komponenter som endast fungerar om de är anslutna till en extern oscillatorkrets, som vanligtvis finns närvarande i mikroprocessorer. En oscillator kräver å andra sidan inga externa kretsar för att fungera, eftersom den består av en kristallresonator tillsammans med en integrerad oscillatorkrets som en enda enhet. Oscillatorer är det främsta alternativet för frekvensstyrning eftersom de kräver mindre kunskap om utformning för att implementera som en heltäckande lösning. Kvartskristaller föredras dock av erfarna konstruktörer som har kunskap om att välja den bästa kristallen för att förbättra oscillatorns prestanda och därmed uppnå optimerade resultat.
Trots detta omfattar att välja rätt frekvensenhet för optimal funktionalitet mer än bara användningstyp; det hänger i hög grad på egenskaperna hos kristaller och oscillatorer, vilket diskuteras nedan.
Vad kännetecknar en bra tidmätare?
Driftfrekvens: Varje tillämpning har ett motsvarande driftfrekvensområde eftersom det är avgörande för att säkerställa att det inte finns några överlappande signaler. Frekvensen 32,768 kHz används till exempel för att ange mätning av tid för digitala klockor, medan 26 MHz är avgörande för GPS-funktioner. Frekvensen 13 MHz används i GSM, och frekvensen 13,560 MHz används vanligtvis för identifiering av radiofrekvenser (RFID). Det är avgörande att välja en frekvensenhet som passar den specifika tillämpningen när du väljer kristaller och oscillatorer.
Frekvensstabilitet: Varje kristall har en inneboende frekvens för sin resonans, beroende på kristallens inneboende piezoelektriska egenskaper. Frekvensstabilitet är den normala avvikelsen från den nominella frekvensen. Avvikelsen kan bero på olika externa faktorer, framför allt temperaturvariationer, men också på variationer i matningsspänning, belastningskapacitetsvärdet eller till och med överhettning på grund av lödning.
Komponenter med snävare stabilitet är finkalibrerade för att ge mer exakt mätning av tid än komponenter med större stabilitetsområden. I IQD:s produktsortiment finn många alternativ att välja mellan, inklusive temperaturkompenserade oscillatorer (TCXO) med en stabilitet på ända ned till ±0,05 ppm, eller ugnsstyrda oscillatorer (OCXO) som IQOV-164 med stabilitet i skalan ±20 ppb.
Temperaturgräns: Temperaturen är den mest inflytelserika externa faktor som påverkar prestanda för enheter för mätning av tid. När temperaturen varierar påverkas också frekvensen. Frekvensens rörelser anges med en term som heter frekvensstabilitet. Stabilitetsnoggrannheten för kvarts styrs av den vinkel som kvartsstycket skärs till med under tillverkningen. Små förändringar i skärningsvinkeln styr prestandan för olika temperaturer.
Här nedan visas en tabell med några vanliga tillämpningar tillsammans med deras motsvarande driftstemperaturområde.
| Användningsområden | Driftstemperaturområde |
| Handels- och fordonskvalitet 4 | 0 till 70 ºC |
| Utökad kommersiell | -20 till 70 ºC |
| Industriell, fordonskvalitet 3 | -40 till 85 ºC |
| Utökad industriell, fordonskvalitet 2 | -40 till 105 ºC |
| Fordonskvalitet 1 | -40 till 125 ºC |
| Militär/fordonskvalitet 0 | -55 till 125ºC och över |
De populära IQXC-180 Auto, CFPX-180 och IQXC-42 som används i fordonstillämpningar har alla ett stort driftstemperaturområde från -40 till 125ºC och flera andra snävare temperaturområden.
Fasbrus och jitter: fasbrus är slumpmässiga variationer i signalens fas eller frekvens. Det kan störa noggrannhet, upplösning och ha negativ inverkan på signal- till brusförhållandet (SNR). Jitter inför å andra sidan inkonsekvens i signalens tidsområde som kan leda till överföringsfel (BER). Beroende på det specifika tillämpningsområdet bör en konstruktör välja en enhet för mätning av tid som har både lågt fasbrus och jitter. Dessa faktorer är viktiga i några av de mest framträdande tillämpningsområdena, till exempel navigering, digital kommunikation, ljudbehandling och radarteknik.
Förpackningsdimensioner: komponenternas förpackningsstorlek har stor betydelse för kretskort (PCB). När konsumentprylarna blir mindre, blir det allt viktigare att välja interna komponenter av lämplig storlek. Även om kristaller är mindre i storlek än motsvarande oscillatorer, kräver de ytterligare kondensatorer och kretsar för att generera en puls för mätning av tid. Därför kan oscillatorer vara ett bättre alternativ vid utformning av kretsar när utrymmet är begränsat, eftersom de minskar kretskortets avtryck genom att bestå av en enda enhet.
IQD:s sortiment består av både kristaller och oscillatorer som är hermetiskt förslutna, vilket gör dem mer tåliga. De finns tillgängliga i SMD-paket så små som 1,6 x 1,0 mm eller 1,6 x 1,2 mm förutom den industriella standardstorleken 2,0 x 1,6 mm.
Utsignaltyp för oscillatorer: leverantörer av chipset måste ange korrekt ingång för sina enheter för mätning av tid. En oscillators utgång kan vara av enkelsidig eller differentiell typ. Enkelsidiga utgångar används specifikt för frekvenser under cirka 100 MHz, medan differentiella utgångar används för att minska det övergripande systembruset vid höga frekvenser.
En annan viktig faktor är att matcha oscillatorns utsignal med korrekt belastning, annars kan det uppstå problem med signalens amplitud, stigning och fall, arbetscykel och starttid. Här nedan finns vanliga enkelsidiga utgångstyper för en oscillator:
• CMOS (kompletterande halvledare av metalloxid)
• HCMOS (höghastighets-CMOS)
• LVCMOS (lågspännings-CMOS)
Differentierade utgångar är jämförelsevis mer komplexa att utforma, men ger överlägsna prestanda i tillämpningar med höga frekvenser, eftersom brus som är gemensamt för differentialsignalerna elimineras. Olika signaltyper inkluderar:
• PECL (positiv sändarkopplad logik)
• LVPECL (lågspännings-PECL)
• CML (strömlägeslogik)
• LVDS (differentiell lågspänningssignalering)
• HCSL (höghastighets strömstyrningslogik)
Användning med låg ström för oscillatorer: många oscillatorer har ett inbyggt stift för aktivering/inaktivering som grundläggande komponent för deras funktioner. När enheten är inaktiverad upphör den interna oscillatorns drift och övergår till ett standbyläge som förbrukar mindre ström. Detta är särskilt praktiskt eftersom många elektroniktillverkare prioriterar strömbesparing, särskilt i mindre batteridrivna enheter. Därmed är oscillatorer optimerade för lågspänning de bästa komponenterna när fokus ligger på låg strömförbrukning.
Kostnadsfaktorer: ett enda kristallpaket är mer kostnadseffektivt än en oscillator. Om vi tar hänsyn till tekniska kostnader tillsammans med reservdelskostnader, kan oscillatorer vara ett ekonomiskt alternativ vid utformning av kretsar. I vissa situationer kan beslutet att använda kristaller bli dyrare, särskilt om du outsourcar tjänster och tester. Det är viktigt att inte förbise de extra kostnader som uppstår genom extrakomponenter som lastkondensatorer och motstånd, samt genom processer som PCB-omspinning för förbättrad signalprestanda.
Dessutom passar kvartskristaller bättre för situationer där tillverkarna vill skapa sina egna elektroniska oscillatorer, vilket ger dem flexibilitet att optimera alla relevanta parametrar i enlighet med de specifika projekten. På motsvarande sätt har oscillatorer fördelen när det gäller att minska materialkostnaderna och kretskortets storlek. Därmed kan beslut som påverkas av kostnader baseras på tillämpningarnas kvalitet och produktionens skala.
Frågor och svar
Resonansfunktionen hos en kvartskristall kan anpassas genom att skära den i lämplig riktning i förhållande till kvartsstyckets kristallografiska axel. Denna axel bidrar till att definiera koordinaterna för kristallgittret. Detta är traditionellt utformat som en blindkristall, som sedan placeras mellan de två elektroderna så att växelström kan passera genom den. På grund av kristallens piezoelektriska egenskaper, leder den applicerade spänningen till en mekanisk förändring av kristallen som får den att vibrera.
När frekvensen för den tillförda spänningen är anpassad till kristallens mekaniska resonans ökar resonansens amplitud. Detta leder också till en ökning i den medföljande strömmen, vilket minskar storleken på enhetens effektiva impedans. Samtidigt ökar förskjutningsströmmen, vilket ytterligare bidrar till en minskning av den effektiva impedansen. Den plötsliga ändringen av impedansen när spänningen och resonansfrekvensen varierar, är den avgörande faktorn i tillämpningen av kvartskristallerna som element för frekvensstyrning i kristalloscillatorer.
Oscillatorer använder en annan mekanism än kristallerna, och utnyttjar en inverterad piezoelektrisk effekt. Det tillämpade elektriska fältet introducerar deformering av vissa material, vilket i sin tur utnyttjar den vibrerande kristallens resonans för att generera en elektrisk signal för en viss frekvens. Den fundamentala skillnaden mellan de två komponenterna är att kristallerna inte har lika många funktioner som oscillatorerna; en kristall är en komponent som används för att konstruera en oscillator.
Starttiden anger den tid som krävs för att en oscillator ska uppnå sin resonansfrekvens när strömmen tillförs. Starttiden för oscillatorer ska vanligtvis endast vara ett par millisekunder (ms).
Starttiden är ett vanligare problem när det gäller kristaller med låg frekvens än deras motsvarigheter med hög frekvens. Starttiderna påverkas främst av strömförsörjningens stigtid. En snabbare stigtid ger snabbare startperioder jämfört med en kristall med långsammare stigtid. Starttiden kan också resultera i en otillgänglig slingförstärkning.
Vill du veta mer om kristaller och oscillatorer? Lyssna på den andra episoden av vår KnowHow-podcast nedan, där vi samtalar med IQD:s tekniska chef Nick Amey. Du kan också läsa vår artikel.
Det här inlägget är skrivet av applikationssupportteamet hos IQD Frequency Products.
