La guía del diseñador para seleccionar un cristal de kHz

Los productos que miden el tiempo son prácticamente omnipresentes y una faceta de la sociedad moderna. Para decir la hora con precisión se necesita un dispositivo como un cristal de cuarzo que oscile a una frecuencia precisa y un circuito integrado (CI) para controlarlo. Un módulo de reloj en paquete suele incluir tanto el cristal como el CI de control. Los circuitos de los osciladores electrónicos se pueden fabricar para frecuencias de kilohercios (kHz) a megahercios (MHz).

Los cristales de kHz se pueden vender de manera independiente o integrados con otros productos, como osciladores de cristal (CXO), osciladores con cristal controlado y temperatura compensada (DTCXO) y relojes de tiempo real (RTC).

Factores que determinan la elección de un cristal de kHz

Si bien el tamaño y la frecuencia requerida son los factores más importantes que tener en cuenta para elegir un cristal de kHz para una aplicación, algunos otros parámetros también son esenciales para diseñar el circuito correcto.

Entre ellos se encuentran los siguientes:

• Tolerancia a la frecuencia, estabilidad y envejecimiento
• Capacitancia de carga (CL)
• Resistencia equivalente en serie (ESR)
• Nivel de accionamiento
• Temperatura de funcionamiento

Los cristales de kHz suelen incluir los requisitos del circuito integrado específico para la aplicación (ASIC) que enumeran los valores de los parámetros necesarios. La información del ASIC puede proporcionar un punto de inicio sólido para el diseño de circuitos. La tendencia hacia la miniaturización de los circuitos electrónicos significa que los diseñadores deben prestar especial atención a los factores enumerados antes porque el tamaño y el denso empaquetado de los componentes pueden afectar las propiedades y el rendimiento de los cristales. Sin embargo, los procesos de fabricación fotolitográfica garantizan que la miniaturización de los circuitos del oscilador de cristal no comprometa los parámetros necesarios para que tengan un funcionamiento eficiente.

Tolerancia a la frecuencia, estabilidad y envejecimiento

Aunque un cristal especifique una cierta frecuencia, pueden darse desviaciones debido a las tensiones que se encuentren durante el proceso de fabricación o en las superficies durante el funcionamiento rutinario. Los cambios en los valores de frecuencia especificados se pueden resumir evaluando tres parámetros: tolerancia a la frecuencia, estabilidad de la frecuencia y envejecimiento.

La tolerancia a la frecuencia se define como la diferencia entre la frecuencia real de un cristal y su frecuencia nominal a +25 °C. La estabilidad de la frecuencia es el cambio de frecuencia máximo impulsado por la temperatura que puede ocurrir en un rango de temperatura establecido. Para lograr una mayor precisión de un cristal, se aconseja utilizar un kHz XO, que tiene en cuenta los cambios de frecuencia con la temperatura (Figura 1) y se calibra en consecuencia. Por último, el envejecimiento es la deriva de la frecuencia a lo largo del tiempo. El sellado hermético reduce los efectos del envejecimiento, pero puede aumentar el tamaño.

Figura 1: La frecuencia del oscilador cambia con la temperatura y debe tenerse en cuenta en el proceso de selección, en especial cuando la aplicación se utiliza en entornos extremos. (Fuente de la imagen: Epson a través de IEEE)

Capacitancia de carga (CL)

La capacitancia entre los dos terminales de un cristal es su capacitancia de carga. Los diseñadores deben tener en cuenta la capacitancia de dispersión externa que puede causar una deriva de frecuencia.

La atención a un desajuste entre la CL y la capacitancia del circuito se vuelve importante en especial cuando se utilizan cristales físicamente más pequeños que son más sensibles a los cambios de capacitancia. Los cristales de baja CL también son especialmente sensibles a la frecuencia. Para diseñar circuitos más pequeños para espacios reducidos, los ingenieros de diseño suelen elegir cristales con una gran CL.

Nivel de accionamiento

DL es la cantidad de corriente necesaria para mantener una oscilación constante mientras se mantiene el daño estructural al mínimo. Se recomienda seleccionar un cristal con un DL que cumpla o supere el nivel de accionamiento de un circuito determinado para evitar una frecuencia poco confiable o una falla prematura.

Temperatura de funcionamiento

La temperatura afecta a la frecuencia más allá de lo que se podría especificar en los números de estabilidad de frecuencia. Aunque los diseñadores deben tener en cuenta la temperatura general de funcionamiento del circuito, también deben tener en cuenta la ubicación del cristal en el circuito, pues algunas áreas pueden ser más propensas a calentarse que otras. Además, cuanto más pequeños sean el circuito y el cristal, más comprimidos estarán los componentes y más calor generará todo el sistema. En estos casos es mejor usar un cristal que esté mejor calibrado para un rango de temperaturas, como los productos DTCXO o de reloj de tiempo real (RTC). Los módulos DTCXO y de RTC funcionan bien en diseños compactos o en casos en los que sea una prioridad la alta estabilidad o la baja potencia.

Cristales de kHz y módulos relacionados

Epson fabrica un gran número de cristales de kHz, así como módulos DTCXO y de reloj de tiempo real (RTC). A continuación, se describen algunos de ellos con sus especificaciones.

La serie FC3215AN son cristales de 32.768 kHz con una resistencia equivalente en serie (ESR) baja de 35 kΩ en un paquete compacto, lo que es muy adecuado para aplicaciones electrónicas portátiles y con limitaciones de espacio. La serie FC3215AN es ideal para una variedad de aplicaciones, como módulos inalámbricos, IoT, uso médico, uso industrial, equipos de vigilancia de seguridad, medidores inteligentes, electrónica de consumo y aplicaciones de unidad de microcontrolador (MCU) de baja potencia. Admiten un rango de temperatura de funcionamiento extendido de -40 °C a +105 °C y están disponibles en un paquete de 3.2 mm x 1.5 mm x 0.9 mm con clavijas estándar.

Los cristales de 32.768 kHz de la serie FC2012AN comparten especificaciones similares a las de la serie FC3215AN y están disponibles en un paquete más pequeño de 2.05 mm x 1.2 mm x 0.6 mm con clavijas estándar. Del mismo modo, los cristales de la serie FC2012SN (Figura 2) son ideales para una variedad de aplicaciones, como dispositivos de vestir, MCU y módulos inalámbricos para IoT, uso médico, uso industrial, uso de seguridad, medidores inteligentes y más.

Figura 2: La serie FC2012SN de Epson cuenta con un rango de temperatura de -40 °C a +105 °C en un paquete compacto de 2.05 mm x 1.2 mm. (Fuente de la imagen: Epson)

Los relojes de tiempo real RX8901CE y RX4901CE de Epson son módulos versátiles y de alta precisión con bajo consumo de potencia, ideales para medidores inteligentes, equipos de seguridad y aplicaciones de iluminación inteligente. El sistema integrado con hasta tres entradas de eventos se puede utilizar para detectar eventos y registrar su marca de tiempo, mientras que la MCU permanece en modo de reposo, lo que reduce el consumo de energía del sistema para prolongar la vida útil de las baterías. Los módulos pueden registrar marcas de tiempo para 32 eventos en modo primero en entrar, primero en salir (FIFO) o directo. Consumen solo 240 nA a partir de una alimentación de 3 V y cuentan con un circuito de conmutación de potencia integrado que elimina la necesidad de diodos externos y sus pérdidas. Los módulos ofrecen una resolución temporal de hasta 1/1024 de segundo y son estables en todo su rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +105 °C. El RX8901CE tiene una interfaz I²C, mientras que el RX4901CE está disponible con una interfaz periférica serial (SPI) de 3 o 4 cables.

Los RTC de la serie RX8804 (Figura 3) utilizan la tecnología DTCXO para lograr una precisión de ±3.4 ppm o ±8 ppm en un rango de -40 °C a +85 °C o de -40 °C a +105 °C, respectivamente.

Figura 3: Los RTC de baja potencia de la serie RX8804 de Epson ofrecen una alta precisión en un amplio rango de temperaturas. (Fuente de la imagen: Epson)

La serie RX8804 tiene una potencia muy baja típica a 0.35 μA, está disponible en un paquete cerámico de montaje en superficie de 3.2 mm x 2.5 mm x 1.0 mm e incluye un cristal incorporado.

Por último, el DTCXO TG-3541CE de 32.768 kHz de Epson es una referencia de frecuencia de precisión adecuada para aplicaciones industriales y de consumo que incluyen IoT, dispositivos de vestir, dispositivos móviles, sensores, GPS/GNSS, medidores de servicios públicos, y salud y bienestar digitales. Específicamente para aplicaciones de IoT, la precisión del tiempo el TG-3541CE permite que los dispositivos estén inactivos mucho más tiempo y se reactiven con menos frecuencia para extender la vida útil de las baterías. Además, el DTCXO independiente puede mejorar significativamente el tiempo de MCU o RTC sin ningún cambio de software, lo que les permite a los diseñadores ahorrar tiempo y recursos. El TG-3541CE tiene baja potencia, consume solo 1.0 μA y está disponible en un paquete cerámico de montaje en superficie de 3.2 mm x 2.5 mm x 1.0 mm.

Conclusión

Los cristales, los osciladores, los RTC y los DTCXO son componentes vitales en las aplicaciones de control de frecuencia. Ya sea para módulos inalámbricos, productos de IoT, dispositivos de uso médico personales o equipos industriales, la oferta de productos de Epson puede proporcionar una solución que cumpla con los requisitos específicos para la aplicación.