Oscilatorul cu cristal de cuarț, care valorifică efectul piezoelectric, a evoluat semnificativ de la apariția sa în anii 1930. Utilizarea cristalului de cuarț ca element de stabilire a frecvenței a înlocuit rapid acordarea receptoarelor radio cu ajutorul circuitelor rezonante LC (bobină-condensator). În acea perioadă, cristalele erau șlefuite manual, montate în suporturi și apoi comparate cu un etalon de frecvență, folosind figurile Lissajous afișate pe un osciloscop rudimentar (numărătoarele de frecvență, așa cum le cunoaștem astăzi, nu existau).
Cristalele de cuarț și oscilatoarele actuale sunt mult mai mici, mai precise, funcționează la frecvențe mai ridicate și sunt fabricate prin procese puternic automatizate. Rolul lor s-a extins mult dincolo de selectarea unui semnal din spectrul radio și acordarea circuitelor pe frecvența acestuia, incluzând acum și generarea unor semnale de ceas precise, care stabilesc ritmul de funcționare și permit sincronizarea circuitelor, sistemelor și rețelelor.
În prezent, cristalele sunt disponibile pentru numeroase frecvențe utilizate pe scară largă, de la mai puțin de 1 MHz până la peste 100 MHz. Spre regretul veteranilor domeniului și al nostalgicilor, standardul clasic de televiziune analogică EIA/NTSC a fost scos oficial din uz în 2009. Drept urmare, cristalul de 3,579545 MHz (denumit frecvent 3,58 MHz), utilizat odinioară pe scară largă pentru codificarea și decodificarea informațiilor de culoare din semnalele TV, a devenit o simplă piesă de muzeu.
Oscilatoarele moderne cu cuarț sunt adesea furnizate sub forma unor dispozitive care reunesc, într-o singură capsulă, cristalul de cuarț și circuitul oscilator. Există însă și numeroase aplicații în care se preferă utilizarea unui cristal de cuarț încapsulat separat, împreună cu un circuit oscilator independent.
De la radiourile clasice la electronica auto modernă
Oscilatoarele cu cuarț destinate pieței de larg consum au evoluat considerabil de la perioada în care erau utilizate exclusiv în aparate de radio și televizoare, în anii 1950 și 1960. Automobilele din acea epocă nu dispuneau practic de electronică, în afara aparatului radio, care a adoptat acordarea prin sinteză de frecvență, cu referință de cuarț, imediat ce această tehnologie a devenit disponibilă, fiabilă și accesibilă ca preț.
Figura 1: Utilizarea electronicii avansate atât în funcțiile esențiale ale grupului motopropulsor, cât și în sistemele ADAS ale automobilelor moderne depășește cu mult ceea ce se putea imagina în urmă cu doar câteva decenii, iar evoluțiile vor continua. (Sursa imaginii: ECS)
În contrast puternic, automobilele de astăzi integrează peste 100 de procesoare, de la microcontrolere (MCU) dedicate până la procesoare de aplicații de înaltă performanță și controlere de comunicații. Aceste procesoare susțin funcții de detecție, siguranță, divertisment, conectivitate și conducere fără a ține mâinile pe volan, multe dintre acestea fiind incluse în categoria sistemelor avansate de asistență la conducere (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems) (Figura 1).
Fiecare dintre aceste funcții necesită oscilatoare cu cuarț care să furnizeze semnale de ceas pentru procesoare, controlere, dispozitive de comunicații și circuitele aferente. Unele aplicații au nevoie doar de cristale mai simple, cu performanțe mai modeste, în timp ce altele necesită semnale de ceas cu jitter redus și stabilitate ridicată. Pentru aplicații precum comunicațiile între vehicule (V2V) și alte interconectări din domeniul auto, cerințele privind precizia temporală vor fi și mai stricte.
Cerințe de performanță și calificarea AEC-Q200
Indiferent de rolul cristalului, oscilatoarele destinate aplicațiilor auto trebuie să respecte cerințele riguroase ale standardului AEC-Q200 pentru componentele electronice utilizate în industria auto. Acest standard presupune mult mai mult decât simpla funcționare fiabilă în condiții de variații de temperatură, vibrații și șocuri mecanice. El impune, de asemenea, teste privind caracteristicile electrice și mecanice, solicitările termice, rezistența la umiditate și solvenți, integritatea conectorilor și a terminalelor, precum și capacitatea de lipire în procesul de fabricație.
Pentru a îndeplini aceste cerințe, ECS Inc. International a dezvoltat seria de oscilatoare cu cuarț MultiVolt SMD ECS-2520MVQ calificate conform standardului AEC-Q200. Aproape toate modelele din această serie sunt disponibile într-o capsulă ceramică miniaturală, cu patru contacte, având dimensiuni de numai 2,5 × 2,0 × 0,8 mm.
Totuși, dimensiunile reduse reprezintă doar una dintre caracteristicile acestei serii. Oscilatoarele acoperă un interval de frecvență cuprins între 1 MHz și 160 MHz (inclusiv o variantă specială de 1 kHz), cu o stabilitate standard de ±50 părți per milion (ppm) și alte opțiuni de stabilitate de ±20 ppm, ±25 ppm și ±100 ppm. Sunt disponibile, de asemenea, variante pentru intervale de temperatură de funcționare de la −20 la +70°C, de la −40 la +85°C, de la −40 la +105°C și de la −40 la +125°C.
Prin urmare, utilizatorii pot alege un dispozitiv care îndeplinește cerințele de performanță ale aplicației lor.
Ce se întâmplă când variază tensiunea de alimentare?
Oscilatoarele cu cuarț SMD MultiVolt ECS-2520MVQ sunt compatibile cu tensiuni de alimentare fixe (nominale) de 1,8, 2,0, 3,0 și 3,3 V, dar acesta este doar unul dintre avantajele lor în ceea ce privește alimentarea. Arhitectura MultiVolt le diferențiază de oscilatoarele convenționale și oferă proiectanților o flexibilitate suplimentară.
Cum anume? Aceste dispozitive utilizează un circuit integrat ASIC de ultimă generație, cu dimensiuni reduse și performanțe ridicate. Etajul oscilatorului utilizează un regulator liniar de tensiune cu consum mic de curent, ceea ce permite reducerea semnificativă a consumului față de proiectele tradiționale de oscilatoare.
În plus, această reglare internă permite oscilatoarelor MultiVolt să funcționeze într-un interval larg de tensiuni de alimentare, indiferent dacă energia provine de la o baterie a cărei tensiune scade pe măsură ce se descarcă sau de la o sursă de alimentare convențională, cu tensiune fixă. Această caracteristică reduce considerabil dependența performanțelor de tensiunea de alimentare, unul dintre dezavantajele tradiționale ale oscilatoarelor.
Datorită regulatorului intern, dispozitivele pot funcționa cu tensiuni de alimentare cuprinse între 1,7 și 3,6 V, un interval care depășește valorile nominale de alimentare menționate anterior. În același timp, curentul de operare fără sarcină este redus, variind de la 8 miliamperi (mA), la frecvențele mai mici, până la 20 mA, la cele mai ridicate.
Oscilatoare MultiVolt: de la 32,768 kHz la 125 MHz
Două exemple, ECS-327ATQMV-AS-TR (Figura 2, stânga) și ECS-2520MVQ-1250-BN-TR, ilustrează varietatea de oscilatoare disponibile. ECS-327ATQMV-AS-TR este un oscilator HCMOS miniatural de 32,768 kHz, cu montare pe suprafață (SMD), calificat conform standardului AEC-Q200, care funcționează la tensiuni de alimentare cuprinse între 1,62 și 3,63 V. Capsula ceramică, având dimensiuni de 3,2 × 2,5 × 0,9 mm (mai mare decât celelalte din aceeași familie), dispune de patru contacte: alimentare (Vdd), masă, ieșire și controlul ieșirii în modul tri-state (cu trei stări) (Figura 2, dreapta). Oscilatorul este potrivit atât pentru aplicații auto, cât și pentru dispozitive portabile, aplicații industriale, cu consum redus de energie și din domeniul Internetului lucrurilor (IoT).
Figura 2: Oscilatorul ECS-327ATQMV-AS-TR (stânga) este încorporat într-o capsulă ceramică de 3,2 × 2,5 × 0,9 mm, prevăzută cu doar patru contacte: alimentare, masă, ieșire și controlul ieșirii în modul tri-state (dreapta). (Sursa imaginii: ECS)
Ieșirea CMOS a oscilatorului ECS-327ATQMV-AS-TR poate comanda sarcini capacitive de până la 15 picofarazi (pF) și are un factor de umplere de 50%. În stare activă, dispozitivul consumă doar 0,2 mA, iar utilizatorul poate activa modul tri-state cu consum redus prin intermediul contactului nr. 1, reducând curentul la numai 20 de microamperi (µA).
De ce este necesară această frecvență “neobișnuită” de 32,768 kHz? Ea permite realizarea funcțiilor de ceas în timp real, deoarece împărțirea frecvenței la 2¹⁵ (32.768), o operație hardware simplă, generează un semnal cu frecvența de 1 Hz, corespunzător unui ciclu pe secundă.
Oscilatorul de 125 MHz: jitter redus și stabilitate ridicată
La rândul său, ECS-2520MVQ-1250-BN-TR este un oscilator SMD HCMOS miniatural de 125 MHz, cu o frecvență de puțin peste trei ordine de mărime mai mare decât cea a oscilatorului de 32,768 kHz. Acesta dispune, de asemenea, de tehnologia MultiVolt, care îi permite să funcționeze la tensiuni de alimentare cuprinse între 1,6 și 3,6 V. Încorporat într-o capsulă ceramică de 2,5 × 2,0 × 0,8 mm, identică cu cea a tuturor celorlalte modele din serie, cu excepția ECS-327ATQMV-AS-TR, dispozitivul prezintă un jitter de 1 picosecundă (ps), specificat pentru intervalul de măsurare de la 12 kHz la 20 MHz. Curentul de intrare este de 20 mA, iar sarcina capacitivă nominală la ieșire este de 15 pF. Stabilitatea frecvenței este de ±50 ppm în intervalul de temperatură de la −40 la +85 °C.
Concluzie
Proiectanții de sisteme electronice auto au nevoie de surse de frecvență stabile, precise și fiabile. Oscilatoarele cu cuarț din seria ECS-2520MVQ de la ECS, calificate conform standardului AEC-Q200, îndeplinesc aceste cerințe, oferind în plus avantajul unor capsule de dimensiuni reduse. Aceste oscilatoare integrează tehnologia MultiVolt, astfel încât performanțele lor nu se degradează atunci când tensiunea de alimentare se abate de la valoarea nominală, reducând astfel contribuția variațiilor tensiunii de alimentare la bugetul de erori al proiectului.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.
Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.
Articol recomandat
1: Understand Crystal Oscillator Parameters to Optimize Component Selection (Înțelegerea parametrilor oscilatoarelor cu cuarț pentru optimizarea alegerii componentelor): https://www.digikey.com/en/articles/understand-crystal-oscillator-parameters-to-optimize-component-selection
Glosar de termeni
Oscilator cu cuarț (Crystal Oscillator) – Dispozitiv electronic care utilizează proprietățile piezoelectrice ale unui cristal de cuarț pentru a genera un semnal periodic cu frecvență precisă și stabilă. Poate integra cristalul și circuitul oscilator într-o singură capsulă.
Semnal de ceas (Clock Signal) – Semnal electric periodic utilizat pentru stabilirea ritmului de funcționare și coordonarea operațiilor în circuitele și sistemele electronice digitale.
MultiVolt – Tehnologie care permite funcționarea oscilatoarelor într-un interval larg de tensiuni de alimentare, menținând stabilitatea performanțelor chiar și atunci când tensiunea variază față de valoarea nominală.
AEC-Q200 – Standard de calificare pentru componente electronice pasive utilizate în industria auto, care stabilește teste de rezistență la solicitări termice, mecanice și de mediu.
Jitter – Variație nedorită a poziției temporale a fronturilor unui semnal față de momentele lor ideale. Un jitter redus este esențial pentru precizia semnalelor de ceas și fiabilitatea comunicațiilor digitale.
Stabilitatea frecvenței (ppm) – Parametru care exprimă variația frecvenței unui oscilator față de valoarea nominală, în condiții specificate de funcționare. Se exprimă frecvent în părți per milion (ppm).
ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) – Circuit integrat proiectat pentru o aplicație specifică, optimizat pentru cerințe precum performanța, dimensiunile și consumul de energie.
HCMOS (High-Speed CMOS) – Tehnologie CMOS de mare viteză, utilizată în circuite digitale și oscilatoare pentru generarea semnalelor logice.
Tri-state (Trei stări) – Mod de funcționare a unei ieșiri digitale care permite trei stări: nivel logic 0, nivel logic 1 și impedanță ridicată. La oscilatoarele prezentate, dezactivarea ieșirii permite reducerea consumului de energie.
Factor de umplere (Duty Cycle) – Raportul dintre durata nivelului activ al unui semnal periodic și perioada totală a acestuia, exprimat procentual.
V2V (Vehicle-to-Vehicle) – Tehnologie de comunicație directă între vehicule, utilizată pentru schimbul de informații relevante pentru siguranță și coordonarea traficului.