Erforderliche Frequenzstabilität für verschiedene Anwendungen
● USB geringe Geschwindigkeit (1,5 Mb/s) ±1,5% (15 000 ppm) ● USB volle Geschwindigkeit (12 Mb/s) ±0,25% (2 500 ppm)
● USB hohe Geschwindigkeit (480 Mb/s) ±500 ppm
● Ethernet 10/100/1000 Mb/s ±100 ppm (±50 ppm bei25°C, ±50 ppm bei sonstigen Einflüssen)
● Wi-Fi 802.11 a/b/g/n, Bluetooth: 20 ppm
Aufgrund der steigenden Nachfrage nach höheren Datenraten und einer effizienteren Nutzung des Funkspektrums steigen auch die Anforderungen für die Frequenzstabilität. Eine Basisstation für Mobiltelefone erfordert bspw. eine Genauigkeit von 50 ppb (part per billion, Teil pro Milliarden).
Oszillatoren in Mikrocontrollern
Aktuelle Mikrocontroller haben einen eingebauten, werkseitig kalibrierten RC-Oszillator und einen Oszillator für einen externen Quarzkristall oder einen Keramikresonator.
Interner RC-Oszillator
Interne RC-Oszillatoren mit 16 MHz in modernen Mikrocontrollern wie die STM32L4-Familie sind werkseitig kalibriert und haben eine Gesamtgenauigkeit von -2 % bis 1,5% (-20 000 ppm bis zu 15 000 ppm) im Temperaturbereich von -40 bis 85°C. Der zeitabhängige Drift ist nicht spezifiziert.
Oszillator mit Keramikresonator
● Keramikresonator 12 MHz, 3,2 x 1,3 x 0,7 mm, Murata CSTNE12M0GH5L000R0
● Betriebsumgebungstemperaturbereich: -40...85°C
● Frequenztoleranz bei 25°C: ±0,07% = ±700 ppm
● Frequenzstabilität Übertemperatur: ±0,11 %= ±1100 ppm
● Alterung: ±0,07 %/10 Jahre bei 25°C
Gesamte Frequenzabweichung über 10 Jahre: 700 ppm + 1100 ppm + 700 ppm =2500ppm
Oszillator mit Kristall
● Ansen Standard-Kristall 12 MHz, 3,2 x 2,5 x 0,75 mm: ASX3F-12M-FE180E5
● Betriebstemperaturbereich: -40...85°C
● Frequenztoleranz (25°C): ±30 ppm
● Frequenzstabilität Übertemperatur: ±30 ppm
● Alterung: ±3 ppm/Jahr
● Gesamte Frequenzabweichung über 10 Jahre: 30 ppm + 30 ppm + 30 ppm = 90 ppm
Der Quarzkristalloszillator bietet die beste Genauigkeit. Die Grenze für einen Standard-Kristalloszillator (XO) liegt in der Praxis bei ±10 ppm, einschließlich einer Frequenztoleranz bei 25°C, Frequenzstabilität bei Übertemperatur, Änderung der Versorgungsspannung, Änderung der Schlag- und Vibrationsfestigkeit und einer Alterung ab dem ersten Jahr.
Wichtige Kristallparameter
Nominalfrequenz und Lastkapazität (CL)
Die am häufigsten verwendete Topologie ist ein Pierce-Oszillator. Der Kristall wirkt als Induktor.
Die Lastkapazität (CL) schließt den Parallelschwingkreises. Der CL-Wert wird durch den Kristallhersteller angegeben. Die Oszillatorschaltung muss die gleiche Lastkapazität haben, auf die der Kristall eingestellt ist, um Genauigkeit zu erreichen.
Äquivalente Serienwiderstand (ESR)
Der Rückkoppelwiderstand verwandelt das Logik CMOS Gate (Inverter) in einen linearen Verstärker mit einer Transkonduktanz Gm = - di/du, sodass die Ausgangsstromstärke des Verstärkers proportional zur Eingangsspannung ist.
Der Verstärker muss eine hinreichende Transkonduktanz aufweisen, um Verluste im Oszillationskreis auszugleichen (ESR und Strom, der durch CL1, CL2 fließt sowie parasitäre Kapazitäten der Masseleitungen) und Energie liefern, um die Oszillation zu erzeugen. Die typische Transkonduktanz (Gm) ist mA/V für Kristalle im MHz-Bereich und uA/V für Kristalle mit 32,768 KHz.
Für einen zuverlässigen Betrieb empfiehlt sich Gm > 5gm_crit.
gm_crit = 4*ESR*(2πF)^2*(C0 + CL)^2 wobei
● ESR der äquivalente Serienwiderstand (ESR) ist
● C0 die Kristall-Shuntkapazität ist
● CL die Kristall-Nominallastkapazität ist
● F die Kristall-Nominaloszillationsfrequenz ist
Oszillatorleistung (Drive Level)
Die empfohlene oder maximale Oszillatorleistung ist durch den Hersteller spezifiziert, üblicherweise in uW. Das Überschreiten dieses Werts kann das Kristallleben verkürzen oder Schäden aufgrund übermäßiger mechanischer Schwingung verursachen. Ansen empfiehlt eine Oszillatorleistung (Drive Level) von 100 uW. Eine geringere Oszillatorleistung kann Oszillationen verhindern, eine höhere Leistung erhöhte die Resonanzfrequenz der Kristalle mit AT-Schnitt.
Weitere Informationen erhalten Sie in STM AN2867 und John R. Vig - Quartz Crystal Resonators and Oscillators For Frequency Control and Timing Applications - A Tutorial.
Warum wir uns für Ansen entschieden haben?
Ansen ist ein führender Hersteller von Produkten zur Frequenzregelung. Das Angebot des Herstellers umfasst Quarzkristalle, Kristalloszillatoren und Keramikresonatoren. Aufgrund kontinuierlicher technologischer Durchbrüche und einer hochpräzisen Fertigungstechnik werden Produkte von Ansen nicht nur im Bereich der Verbraucherelektronik und in Industriesektoren verwendet, sondern auch im Automobilsektor konstruiert.
Ansen bietet:
1. Ein nach den internationalen Standards ISO 9001, ISO 14001 und IECQ QC 080000 zertifiziertes Managementsystem
2. Exzellenz in punkto Zuverlässigkeit, Lötbarkeit, thermische Hysterese, Vibrationsfestigkeit und Schlagfestigkeit
3. Langsames Altern und erweiterter Temperaturbereich
4. Hochpräzise Fertigungstechnik
5. Produkte von Automobilqualität konform nach AEC-Q200
6. Alle Produkte sind RoHS- und REACH-konform
Wir haben 40 Ansen Kristalle in HC-49/US (SMD- und TH-Versionen) sowie SMD-Pakete mit 3,2 x 2,5 mm in unser Sortiment aufgenommen. Wir werden das Angebot schrittweise nach Ihren Anforderungen erweitern.
Alle in unserem E-Shop angemeldeten Kunden können die Preise für Kristalle einsehen.
Weitere Informationen über Produkte von Ansen teilen wir Ihnen gerne über die E-Mail-Adresse ansen@soselectronic.com mit.
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