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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Ultra Low Power 32.768-kHz-Oszillatoren für Metering-Applikationen 32.768-kHz-Oszillator der Serie ULPPO zur Verfügung. Dieser Oszillator kann mit jeder Spannung in einen VDD-Bereich von 1,5 – 3,63 V DC betrieben werden. Der Stromverbrauch wird mit 0,99 µA spezifiziert. Die Temperaturstabilität des ULPPOs beträgt ±5ppm über den Temperaturbereich von -40/+85 °C. Die Frequenzstabilität (Anliefergenauigkeit plus Temperaturstabilität) erreicht ±10ppm, die Alterung erreicht nach 20 Jahren ±2ppm. Damit ergibt sich für die maximale Gesamtstabilität des ULPPO ein Wert von ±12 ppm, inklusive der Alterung nach 10 Jahren. Das sind hervorragende Parameter. Zur Beschaltung Die Zeitanforderungen in modernen Metering-Applikationen haben sich in den letzten Jahren stark verschärft: Oftmals wird eine Stunde Zeitversatz nach 7 Jahren gefordert. Dieser Wert sollte auch über den Arbeitstemperaturbereich der Applikation eingehalten werden können. Eine Stunde maximal nach 7 Jahren entspricht einer Frequenztoleranz von ±16ppm absolut bei 32.768 kHz. Diese Vorgaben können nicht mehr mit normalen 32.768 kHz-Schwingquarzen eingehalten werden. Einerseits, weil ein 32.768 kHz nur mit einer Frequenztoleranz bei +25 °C von ±10ppm lieferbar ist, andererseits beträgt die Temperaturstabilität gut -180ppm über den Temperaturbereich von -40/+85 °C. Die Alterung von ca. ±30ppm nach 10 Jahren darf in der Genauigkeitsberechnung nicht vergessen werden. Im Worstcase hat ein 32.768-kHz- Quarz eine maximale Frequenzstabilität von +40/-220ppm (inkl. Abgleich bei +25 °C, Temperaturstabilität und Alterung nach 10 Jahren). Ein systematischer Frequenzversatz, hervorgerufen durch die internen Kapazitäten der Oszillatorstufe des zu taktenden ICs und Streu kapazitäten, muss durch externe Beschaltungskapazitäten kompensierbar sein. Sollte ein Layout - ohne externe Beschaltungskapazitäten für den 32.768-kHz-Quarz gewählt werden, dann ist dies sehr gefährlich, denn die Genauigkeit des Quarzes kann nicht korrigiert oder während der Serienfertigung sich plötzlich ändernden PCB-Verhältnissen angepasst werden. Eigentlich wurde der Schnittwinkel für den 32.768-kHz-Quarz für optimale Genauigkeit in einer Armbanduhr entwickelt und nicht für die meisten der Anwendungen, in denen er heute verwendet wird. Höchstgenaue Zeitvorgaben Um den höchstgenauen Zeitvorgaben entsprechen zu können, steht jetzt der Ultra Low Power des ultrakleinen Gehäuses (Grundfläche 1,2 mm 2 ) werden keine externen Beschaltungskapazitäten benötigt. Die Eingangsstufe des im ULPPO verbauten ICs filtert die Versorgungsspannung selber. Im Vergleich zu einem Quarz spart die Verwendung des ULPPOs sehr viel Platz auf der Platine, so dass die Packungsdichte erhöht und kleinere Platinen entwickelt werden können. Durch die Amplitudenanpassung kann der Stromverbrauch des ULPPOs zusätzlich reduziert werden. Bei der Platzberechnung müssen auf der Platine für einen Quarz auch die beiden externen Beschaltungskapazitäten berücksichtigt werden. Auch der kleinste 32.768-kHz-Quarz benötigt mit den beiden externen Beschaltungskapazitäten immer mehr Platz auf der PCB, als der ULPPO selbst. Weitere Informationen unter: info@petermann-technik.de oder www.petermann-technik.de/products/smd-oscillators-silicon/ultra-low-power-32768-khz/smd-ultra-low-power-oscillator/ www.petermann-technik.de/products/smd-oscillators-silicon/ultra-low-power-32768-khz/smd-ultra-low-power-high-presicion-oscillator/ 56 hf-praxis 2/2017

Quarze und Oszillatoren Temperaturverhalten eines handelsüblichen 32.768-kHz-Quarzes Darüber hinaus haben sehr kleine 32.768-kHz-Quarze sehr hohe Widerstände, die von den zu taktenden Oszillatorstufen oft nicht mehr sicher getrieben werden können, denn auch die Oszillatorstufen der zu taktenden ICs oder RTCs haben sehr große Toleranzen. Es kann daher zu plötzlichen Anschwingproblemen im Feld kommen, die mit dem ULPPO umgangen werden, so dass ein unter allen Umständen sicherer Betrieb der Applikation mit dem ULPPO möglich ist. Eine Oszillatorstufe benötigt sehr viel Energie, um den Schwingvorgang eines 32.768-kHz-Quarz aufrecht zu erhalten. Normalerweise lässt sich die Eingangsstufe eines MCUs direkt mit dem LVCMOS-Signal des ULPPOs (meistens Xin) beschalten. Die Eingangsstufe des MCUs kann somit abgeschaltet werden (Bypass-Funktion), so dass die dadurch eingesparte Energie in der Berechnung des Systemstromverbrauchs des Meters verwendet werden kann. Außerdem können mit einem ULPPO mehrere ICs gleichzeitig getaktet werden. Aufgrund der sehr hohen Genauigkeit des ULPPO müssen auch weniger Zeitsynchronisationen durchgeführt werden, was Systemstrom einspart. Selbstverständlich kann der ULPPO in allen Applikationen verwendet werden, die einen miniaturisierten Ultra Low Power 32.768-kHz-Oszillator benötigen, wie z.B. Smartphones, Tablets, GPS, Fitnessuhren, Gesundheits- und Wellness- Applikationen, drahtlose Tastaturen, Zeitmessung, Timing Applikationen, Wearables, IoT, Home Automation, etc. Aufgrund der hohen Genauigkeit des Oszillators kann in Hypernation-Technology-Applikationen die Standby-Zeit oder auch die Hybernation-Time deutlich ausgeweitet werden, sodass aufgrund der deutlich geringeren batterieintensiven Synchronisationszyklen sehr viel Systemstrom eingespart werden kann. Es gibt verschiedenste Genauigkeitsausführungen der Ultralow-power-Oszillatoren – siehe auch die Serie ULPO-RB1 und – RB2. Anwender können sich von den erfahrenen Spezialisten des Hauses schnell und zielgerichtet bei der Quarzauswahl und beim Design-in beraten lassen. ■ Petermann-Technik www.petermann-technk.de hf-praxis 2/2017 57

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