Bez rezonatorów kwarcowych nie byłoby komunikacji bezprzewodowej, odbiorników GPS ani Ethernetu. Z tego powodu poszerzamy grono naszych dostawców o znanego producenta, firmę Ansen. Pomimo dostępności nowych technologii, takich jak generatory MEMS, rezonatory kwarcowe pozostają dominującym źródłem dokładnej i stabilnej częstotliwości.
Wymagania
● Niska prędkość USB (1,5Mb/s) ±1,5% (15 000ppm)
● Pełna prędkość USB (12Mb/s) ±0,25% (2 500ppm)
● Wysoka prędkość USB (480Mb/s) ±500ppm
● Ethernet 10/100/1000Mb/s ±100ppm (±50ppm w 25°C, ±50ppm dla innych wpływów)
● Wi-Fi 802.11 a/b/g/n, Bluetooth: 20ppm
W związku z rosnącym popytem na stabilną przepływność i wydajniejsze wykorzystanie spektrum częstotliwości rosną również wymagania w zakresie stabilności częstotliwościowej. Na przykład stacja bazowa telefonii komórkowej wymaga dokładności 50ppb (części na miliard).
Rezonatory w mikrosterownikach
Współczesne mikrosterowniki posiadają fabrycznie wbudowany, skalibrowany generator RC oraz rezonator zewnętrznego kryształu kwarcowego lub rezonator ceramiczny.
Wewnętrzny generator RC
Wewnętrzny generator 16MHz w nowoczesnych mikrosterownikach, takich jak STM32L4, jest skalibrowany fabrycznie i posiada całkowitą dokładność -2% do 1,5% (-20 000ppm do 15 000ppm) w zakresie temperatur od -40 do 85°C. Dryft w czasie nie jest określony.
Oscylator z rezonatorem ceramicznym
● Rezonator ceramiczny 12MHz, 3,2x1,3x0,7mm, Murata CSTNE12M0GH5L000R0
● Zakres temperatury pracy: -40...85°C
●Tolerancja częstotliwościowa 25°C: ±0,07%=±700ppm
● Stabilność częstotliwości w zakresie temperatury pracy: ±0,11%=±1100ppm
● Tolerancja częstotliwości długookresowa: ±0,07%/10 lat w temp. 25°C
Całkowite odchylenie częstotliwości na 10 lat: 700ppm+1100ppm+700ppm=2500ppm
Rezonator kwarcowy
● Standardowy kryształ Ansen 12MHz, 3,2x2,5x0.75mm: ASX3F-12M-FE180E5
● Zakres temperatury pracy: -40...85°C
● Tolerancja częstotliwościowa (25°C): ±30ppm Stabilność częstotliwości w zakresie temperatury pracy: ±30ppm Tolerancja częstotliwości długookresowa: ±3ppm/rok
● Całkowite odchylenie częstotliwości na 10 lat: 30ppm+30ppm+30ppm=90ppm
Celková odchýlka frekvencie za 10 rokov: 30ppm+30ppm+30ppm=90ppm
Rezonator kwarcowy zapewnia najlepszą dokładność. Praktyczny limit dla standardowego rezonatora kwarcowego (XO) wynosi ±10ppm z uwzględnieniem tolerancji częstotliwości w temp. 25°C, stabilności częstotliwości w zależności od temperatury, wahań napięcia zasilania, wstrząsów i drgań i tolerancji częstotliwości długookresowej w pierwszym roku.
Istotne parametry kryształu
Częstotliwość nominalna i pojemność obciążenia (CL)
Najczęściej stosowaną topologią jest generator Pierce’a. Kryształ działa jako wzbudnik.
Pojemność obciążenia CL zamyka równoległy obwód rezonujący. Wartość CL podawana jest przez producenta kryształu. W celu zapewnienia dokładności obwód oscylatora musi posiadać taką samą pojemność obciążenia, na jaką nastawiono kryształ.
Zastępcza rezystancja szeregowa (ESR)
Rezystor sprzężenia zwrotnego przekształca bramkę logiczną CMOS (inwerter) we wzmacniacz liniowy o transkonduktancji Gm = - di/du; w ten sposób prąd wyjściowy wzmacniacza jest proporcjonalny do napięcia wejściowego.
Wzmacniacz musi posiadać wystarczającą transkonduktancję w celu kompensacji strat w pętli oscylacji (ESR i prąd płynący przez CL1, CL2 i pojemność pasożytnicza przewodów do GND) i zapewniać energię do wytwarzania oscylacji. Typowe Gm podawane jest w mA/V dla kryształów w zakresie MHz i uA/V dla kryształów 32,768KHz.
Dla niezawodnej pracy zaleca się Gm > 5gm_crit.
gm_crit = 4*ESR*(2πF)^2*(C0 + CL)^2 gdzie
● ESR to zastępcza rezystancja szeregowa
● C0 to pojemność równoległa kryształu
● CL to nominalna pojemność obciążenia kryształu
● F to nominalna częstotliwość oscylacji kryształu
Poziom wzbudzenia
Zalecany lub maksymalny poziom wzbudzenia podawany jest przez producenta kryształu, zwykle w uW. Przekroczenie tej wartości może skrócić żywotność kryształu lub spowodować jego uszkodzenie na skutek nadmiernych drgań mechanicznych. Ansen zaleca poziom wzbudzenia 100uW. Niższy poziom może uniemożliwić oscylację, a poziom wyższy zwiększa częstotliwość rezonansu kryształów typu AT cut.
Więcej informacji można znaleźć w STM AN2867 i w pracy Johna R. Viga - Quartz Crystal Resonators and Oscillators For Frequency Control and Timing Applications - A Tutorial [Rezonatory i oscylatory kwarcowe do regulacji częstotliwości i czasu – podręcznik].
Ansen jest wiodącym producentem wyrobów do regulacji częstotliwości. Oferta firmy obejmuje kryształy kwarcowe, rezonatory kwarcowe i rezonatory ceramiczne. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologicznemu i wysoko precyzyjnej technologii produkcji wyroby Ansen wykorzystywane są nie tylko w elektronice konsumenckiej i w przemyśle, lecz także w motoryzacji.