S rostoucími požadavky na přenosovou rychlost a efektivnější využití rádiového spektra rostou i požadavky na frekvenční stabilitu. Například základnová stanice pro mobilní telefony potřebuje přesnost 50ppb (part per bilion).

Požadovaná frekvenční stabilita pro různé aplikace

● USB low speed (1,5 Mb/s) ±1.5% (15 000ppm)
● USB full speed (12Mb/s) ±0.25% (2 500ppm)
● USB high speed (480Mb/s) ±500ppm
● Ethernet 10/100/1000Mb/s ±100ppm (±50ppm při 25°C, ±50ppm pro ostatní vlivy)
● Wi-Fi 802.11 a/b/g/n, Bluetooth: 20ppm

Oscilátory v mikrokontrolérech

Současné mikrokontroléry mají zabudovaný RC oscilátor kalibrovaný ve výrobě a oscilátory pro externí krystaly nebo keramický rezonátor.

Interní RC oscilátor

16MHz interní RC oscilátor v moderních mikrokontrolérech jako například sérii STM32L4 je kalibrován ve výrobě a dosahuje přesnost -2% až 1.5% (-20 000ppm až 15 000ppm) v rozsahu pracovních teplot okolí -40 až 85°C. Postupná změna frekvence s časem není specifikována.

Oscilátor s keramickým rezonátorem

● Keramický rezonátor 12MHz, 3,2x1,3x0,7mm, Murata CSTNE12M0GH5L000R0
● Rozsah pracovních teplot okolí: -40...85°C
● Tolerance frekvence při 25°C: ±0.07%=±700ppm
● Stabilita frekvence v rozsahu pracovních teplot okolí: ±0.11%=±1100ppm
● Stárnutí: ±0.07%/10 rokov pri 25°

Celková odchylka frekvence za 10 roků: 700ppm+1100ppm+700ppm=2500ppm

Oscilátor s krystalem

● Standardní krystal Ansen 12MHz, 3.2x2.5x0.75mm: ASX3F-12M-FE180E5
● Rozsah pracovních teplot okolí: -40...85°C
● Tolerance frekvence při 25°C: ±30ppm
● Stabilita frekvence v rozsahu pracovních teplot okolí: ±30ppm
● Stárnutí: ±3ppm/rok 

Celková odchylka frekvence za 10 roků: 30ppm+30ppm+30ppm=90ppm

Krystalový oscilátor nabízí nejlepší přesnost. Praktický limit pro standardní krystalový oscilátor (XO) je ± 10ppm (tolerance frekvence při 25°C, stabilita frekvence v rozsahu pracovních teplot okolí, změny napájecího napětí, otřesů, vibrací a stárnutí za 1 rok).

Důležité parametry krystalu

Nominální frekvence a zatěžovací kapacita (CL)

Nejpoužívanější topologií je Pierce oscilátor. Krystal se chová jako induktor.

Zatěžovací kapacita CL zkompletuje paralelní rezonanční obvod. Hodnotu CL specifikuje výrobce krystalů. Aby byla frekvence přesná, obvod oscilátoru musí mít stejnou zatěžovací kapacitu, na kterou byl krystal nastaven.

Ekvivalentní sériový odpor (ESR)

Zpětnovazební rezistor transformuje logické CMOS hradlo (invertor) na lineární zesilovač se strmostí Gm=- di/du, výstupní proud zesilovače je tedy úměrný vstupnímu napětí.

Zesilovač musí mít dostatečnou strmost, aby kompenzoval ztráty oscilační smyčky (ESR a proud tekoucí přes CL1, CL2 a parazitní kapacity vývodů do GND) a poskytl energii na rozběh kmitání. Typická Gm je řádově mA/V pro krystaly v MHz rozsahu a uA/V pro 32,768KHz krystaly.

Pro spolehlivý provoz se doporučuje, aby Gm> 5gm_crit.

gm_crit = 4*ESR*(2πF)^2*(C0 + CL)^2 kde

● ESR je ekvivalentní sériový odpor
● C0 je vlastní kapacita krystalu
● CL je nominální zatěžovací kapacita.
● F nominální frekvence

Úroveň buzení

Maximální úroveň buzení určuje výrobce krystalů, obvykle v uW. Překročení této hodnoty může zkrátit životnost krystalu nebo způsobit poškození nadměrnými mechanickými vibracemi. Ansen doporučuje úroveň buzení 100uW. Nižší úroveň buzení může zabránit oscilacím, vyšší úroveň zvyšuje rezonanční frekvenci krystalů s AT řezem.

Více informací naleznete v STM AN2867 a John R. Vig – Quartz Crystal Resonators and Oscillators for Frequency Control and Timing Applications - Tutorial.

Proč se v SOS electronic rozhodli pro Ansen?

Ansen je předním výrobcem produktů pro řízení frekvence. Nabídka zahrnuje krystaly, krystalové oscilátory a keramické rezonátory. Díky nepřetržitému technologickému průlomu a vysoce přesné výrobní technologii se produkty Ansen využívají nejen ve spotřební elektronice a průmyslových odvětvích, ale i v automobilovém průmyslu.

Ansen nabízí:
1. systém řízení certifikovaný podle mezinárodních norem ISO 9001, ISO 14001 a IECQ QC 080000
2. vynikající spolehlivost, pájitelnost, teplotní hysterezi, odolnost vůči vibracím a šokůmšokom
3. nízké stárnutí a rozšířený rozsah teplot
4. vysoce přesnou výrobní technologii
5. produkty pro automobilový průmysl v souladu s AEC-Q200

Do skladové nabídky je zařazeno 40 krystalů Ansen v pouzdrech HC-49/US (SMD a TH verze) a 3.2x2.5mm SMD.  Nabídka bude postupně rozšiřováná podle potřeb a požadavků zákázníků. 

Ceny krystalů se zobrazují všem zákazníkům přihlášeným do on-line shopu SOS electronic.

Pokud se zajímáte i o další produkty Ansen nebo se potřebujete poradit, kontaktujte společnost na adrese ansen@soselectronic.com 

Download a odkazy:

• Domovská stránka společnosti SOS electronic: http://www.soselectronic.cz/
• Krystaly a krystalové oscilátory Ansen
• SOS electronic na stránkách hw.cz
• Domovská stránka společnosti ANSEN: https://www.ansencorp.com/