Quarze und Oszillatoren Für IoT- und Wearable-Anwendungen: Auswahl des richtigen Schwingquarzes Wenn eine stabile Referenz mit geringem Stromverbrauch benötigt wird, sind Oszillatorschaltungen mit einem 32,768-kHz- Schwingquarz die beste Wahl. Der Artikel beschreibt das Vorgehen bei der Quarzauswahl für IoT- und Wearable- Anwendungen. Seit der Entwicklung des ersten Quarzoszillators durch Walter Guyton Cady im Jahre 1921 bilden frequenzgebende Bauteile das Herzstück vieler elektronischer Systeme, und mit der immer weiter fortschreitenden Technologisierung kommen nahezu täglich weitere Anwendungen hinzu. Mit der kontinuierlichen Miniaturisierung elektronischer Bauelemente und Prozessoren wächst nun auch seit Jahren der Markt für IoT- und Wearable-Anwendungen nahezu explosionsartig an. Es wird erwartet, dass bereits bis 2020 mehr als 31 Milliarden IoT-Geräte im Einsatz sein werden. Die besonderen Anforderungen dieser Anwendungen Autor Hendrik Nielsen Produktmarketing FCP WDI AG www.wdi.ag Bild 1: Prozessorgrößen im Wandel der Zeit. Der Trend zur Miniaturisierung setzt sich fort 10 hf-praxis 10/2019
Quarze und Oszillatoren Bild 2: Oszillatorschaltung am Beispiel des Pierce-Gate-Oszillators Bild 4: Pierce-Oszillatorschaltung mit eingesetztem Schwingquarz stellen aber auch die Hersteller der für die meisten Systeme lebensnotwendigen frequenzgebenden Bauteile vor eine große Herausforderung. Batteriebetrieb durch Miniaturisierung Getrieben durch das Angebot immer kleinerer, kostengünstiger und energieeffizienter Prozessoren steigt schon seit Jahren die Nachfrage nach ständig kleineren batteriebetriebenen IoT- und Wearable-Endgeräten. Bild 1 skizziert den Trend. Und ein Ende dieses Trends zur Miniaturisierung der Elektronik ist nicht absehbar. So arbeiten die großen Hersteller von Prozessoren wie Intel, ARM, Samsung und Qualcomm schon lange an Prozessoren mit Halbleiterstrukturen von nur noch 5 nm. Bild 3: Ersatzschaltbild eines Schwingquarzes Durch die stetige Miniaturisierung soll die praktische Implementierung umfangreicher batteriebetriebener Anwendungen möglich werden, die trotz funktionsreicher Umgebung extrem wenig Energie erfordern. Typische Anwendungsgebiete wären hier beispielsweise die Medizintechnik, IoT-Lösungen, aber auch Wearables. Allerdings hat dieser Trend auch erhebliche Auswirkungen auf die Auswahl der taktgebenden Bauteile dieser kleinen elektronischen Systeme. Auswirkungen auf die Quarzauswahl Wenn eine stabile Referenz mit geringem Stromverbrauch benötigt wird, sind Oszillatorschaltungen mit einem 32,768-kHz- Schwingquarz die beste Wahl. Oszillatorschaltungen mit AT- Cut-Quarzen im Megahertz- Bereich würden zwar eine bessere Temperaturstabilität bieten, benötigen jedoch einen signifikant höheren Strom, weswegen auch die Applikationshinweise von Mikrocontrollern und SoCs meist die Verwendung von 32-kHz-Quarzen empfehlen. Vorwiegend basiert das integrierte Taktsystem bei diesen niedrigen Frequenzen auf der bekannten Pierce-Konfiguration (Bild 2). Um hierbei einen stabilen Betrieb über den kompletten Temperaturbereich sicherzustellen, müssen im Vorfeld einige Parameter überprüft und beachtet werden. Besonders wichtig für die Entwicklung einer niederfrequenten Oszillatorschaltung sind ein sicheres Anschwingverhalten bei der kleinsten zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung und über den gesamten Temperaturbereich sowie eine äußerst präzise Frequenz. Darüber hinaus sollten eine möglichst kurze Anschwingzeit, niedriger Stromverbrauch und eine gute Frequenzstabilität angestrebt werden. Die Ausgangsfrequenz ist abhängig von der Lastkapazität des Quarzes und wird zusätzlich durch die Streukapazität der Leitungen und die parasitären Kapazitäten des ICs beeinflusst. Bild 3 bringt das Ersatzschaltbild eines Schwingquarzes. Es besteht aus R-, L- und C-Elementen. Eine Oszillatorschaltung zeigt Bild 4. Hier erkennt man, dass sich die parasitären Kapazitäten aus den Streukapazitäten der Verbindungsleitungen sowie der Chip-Ein- und -Ausgangskapazitäten zusammensetzen. Mögliche Parameter: • f = 32,768 kHz ±20 ppm • C L_XTAL = 12,5 pF @ 25 °C • R L = typisch 10 MOhm für 32-kHz-Oszillatoren (1 MOhm für AT-HF- Oszillatoren) • C G = Eingangslastkapazität (Gate) zusammen mit der parasitären Kapazität C P1 • C D = Ausgangslastkapazität (Drain) zusammen mit der parasitären Kapazität C P2 • C L_OSC ( Lastkapazität am Verstärker) ist bestimmt durch C G x C D /(C G + C D ) Die nominale Frequenz wird erreicht, wenn die Lastkapazitäten der Schaltung und die des Quarzes gleich groß sind, also C L_OSC = C L_XTAL ist. Übliche vorgeschriebene Lastkapazitäten sind 6, 7, 9 und 12,5 pF. Bestenfalls wird das Layout so optimiert, dass die Oszillatorschaltung mit dem Schwingquarz unmittelbar neben dem Mikrocontroller sitzt. Dadurch minimiert man die Streukapazität und verkleinert die Antennenwirkung – und somit auch die Störanfälligkeit. hf-praxis 10/2019 11
Verstärker Einführung von ATSC-3.
K N O W - H O W V E R B I N D E T D
Wireless IEEE 802.15.4 Dies ist die
9/9/19 4:41 PM Available in Plastic
Highprecision Positioning Modules R
RF & Wireless Figure 2: AntSyn soft
RF & Wireless Figure 6: Three-port
RF & Wireless 18...31.5 GHz LNA in
RF & Wireless Low-Threshold Limiter
Anleitung zur Handhabung der Schnel
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