Celosvětový trh s krystaly, oscilátory a časovacími produkty je velmi roztříštěný a dosahuje přibližně šesti miliard amerických dolarů. Existuje mnoho dodavatelů a široká škála řešení. Tato zpráva poskytuje informace o cenově nejefektivnějších trendových produktech a může sloužit jako vodítko pro nový vývoj.
Trh inteligentních hodinových oscilátorů je rozdělen do tří dílčích segmentů: přibližně 1/3 pokrývá trh s křemenem, přibližně 1/3 trh s oscilátory (hodinovými oscilátory) a přibližně 1/3 trh s časováním (např. 32,768 kHz, TCxO, OCxO, diferenciální). Společnost Petermann-Technik (vlastní pravopis: PETERMANN-TECHNIK) působí na trhu již více než 20 let jako vysoce specializovaný partner pro komponenty pro určování frekvence a kromě širokého a hlubokého portfolia výrobků nabízí komplexní design-in servis s cílem nabídnout zákazníkovi vše z jedné ruky a umožnit velmi rychlé uvedení na trh.
[caption id="attachment_315" align="alignright" width="300"] Obrázek 1: Společnost Petermann-Technik nabízí ucelený sortiment "Frekvenčně řízených produktů" v kombinaci s inženýrskými a logistickými službami[/caption].
V posledních letech došlo k významnému posunu od velkých krystalů THT a SMD dostupných v kovových pouzdrech (řady HC-49/U, HC-49/US, HC-49/US-SMD) k miniaturizovaným krystalům SMD v keramických pouzdrech. Poptávka po oscilačních krystalech s vyšší frekvencí v menších pouzdrech tento trend dále podpořila. V současné době je nejžádanějším a nejlevnějším miniaturizovaným krystalem SMD v keramickém pouzdře o rozměrech 3,2 mm x 2,5 mm/4 destičky (řada SMD03025/4 ), který je k dispozici ve frekvenčním rozsahu od 8,0 do 64,0 MHz (AT fundamental). S řadou SMD03025/4 nabízí společnost Petermann-Technik vhodná řešení pro každou aplikaci (obr. 2). Tyto odporově optimalizované krystaly nabízejí optimální přechodovou odezvu v definovaných provozních teplotních rozsazích a na přání je lze dodat s úrovní pohonu až 500 µW (ve frekvenčním rozsahu 12 až 64 MHz).
Řešení jsou k dispozici v teplotním rozsahu od -55 do +125 °C. Křemenné krystaly nelze běžně zpracovávat ultrazvukem. Další specialitou v sortimentu krystalů SMD o rozměrech 3,2 mm x 2,5 mm/4 destičky jsou krystaly řady SMD03025/4US o rozměrech 3,2 mm x 2,5 mm/4 destičky, které byly speciálně vyvinuty pro ultrazvukové svařování.
[caption id="attachment_417" align="alignright" width="300"] Obrázek 2: Snížení cen krystalů SMD v keramických pouzdrech si vynutilo přechod od velkých krystalů THT a SMD umístěných v kovových pouzdrech. Křemen o rozměrech 3,2 × 2,5 mm, řada SMD03025/4, je jediným křemenem na světě, který lze použít v koncových výrobcích, jež jsou utěsněny ultrazvukem[/caption].
V posledních letech se souběžně s pouzdrem SMD03025/4 vyvíjelo pouzdro 2,5 × 2,0 mm/4, které se však nikdy příliš neujalo. Komu se zdá pouzdro 3,2 mm x 2,5 mm/4 destičky příliš velké, může se vrátit k pouzdru 2,0 mm x 1,6 mm/4 destičky řady SMD02016/4. Pouzdro o rozměrech 2,0 mm x 1,6 mm/4 destičky lze považovat za nové trendové pouzdro pro velmi malé aplikace a je po něm stále větší poptávka, takže ceny krystalů v tomto pouzdře již klesly. V pouzdru 2,0 mm x 1,6 mm/4 destičky jsou krystaly s optimalizovaným odporem navrženy také pro optimální přechodovou odezvu. Vývojáři mohou sáhnout po verzích s úrovní pohonu až 400 µW.
Pro krystaly s frekvencí 32,768 kHz jsou také žádaná stále menší pouzdra (obr. 3). Nejmenší verze s rozměry 1,2 mm x 1,0 mm bude brzy uvedena na trh. V současné době je také silná poptávka po krystalech 32,768 kHz v pouzdrech o rozměrech 3,2 mm x 1,5 mm (řada M3215 ) a 2,0 mm x 1,2 mm (řada M2012) se sníženým odporem . Krystaly se sníženým odporem 32,768 kHz jsou stejně jako standardní verze k dispozici se zatěžovací kapacitou od 4 do 12,5 pF v teplotním rozsahu od -40 do +125 °C. Mnoho verzí lze dodat ze skladu nebo v krátkých dodacích lhůtách. Vývojář si může vybrat mezi dvěma frekvenčními tolerancemi při teplotě +25 °C: ±10 ppm (volitelně) nebo ±20 ppm (standardně).
Také sortiment oscilátorů je u společnosti Petermann-Technik na vzestupu, zejména řada křemíkových oscilátorů. Vývojáři stále častěji požadují velmi malá, extrémně odolná a vysoce přesná řešení ve stále vyšších teplotních rozsazích. Křemenné krystaly již tyto požadavky z technologických důvodů nemohou splnit. K připojení křemene jsou zapotřebí dva externí kondenzátory, které vyžadují místo na desce plošných spojů. Na druhé straně se při stále menších pouzdrech zvyšuje odpor, což zkracuje dobu ustálení. Kromě toho je nejmenší frekvenční tolerance krystalů MHz +25 °C ±10 ppm a teplotní stability jsou ±10 ppm při -20 až +70 °C, ±15 ppm při -40 až +85 °C, ±30 ppm při -40 až +105 °C a ±50 ppm při -40 až +125 °C. V závislosti na verzi je maximální stárnutí křemene ±10 ppm po deseti letech. Například standardní křemíkový hodinový oscilátor dostupný ze skladu v pouzdře o rozměrech 2,0 × 1,6 mm/4 destičky má frekvenční stabilitu ±20 ppm při -40 až +85 °C (zahrnuje toleranci frekvence při +25 °C, teplotní stabilitu nad -40 až +85 °C, stárnutí po prvním roce a změny frekvence způsobené tolerancíVDDa zátěže) se stárnutím ±3 ppm po deseti letech.
[caption id="attachment_433" align="alignright" width="300"] Obrázek 3: Krystaly s frekvencí 32 768 kHz jsou k dispozici skladem v různých pouzdrech, včetně nízkoodporových verzí pro průmyslové a automobilové aplikace[/caption].
Speciální standardní verze křemíkových oscilátorů jsou k dispozici v rozsahu ±10 ppm při -40 až +85 °C nebo ±20 ppm při -55 až +125 °C s velmi nízkým jitterem. Oscilátory mohou také řídit zátěž až 15 pF, takže jeden oscilátor může současně taktovat několik integrovaných obvodů se stejnou frekvencí (obr. 4).
Kromě křemenných oscilátorů(xO, TCxO, VC-TCxO, VCxO, OCxO) jsou v nabídce také křemíkové oscilátory. Křemíkové oscilátory jsou polovodičové a využívají mikrokřemíkový rezonátor s velmi nízkou hodnotou.
nízkou oscilační energií pro generování hodin. Díky tomu a na základě analogové technologie CMOS IC lze vyrábět nejen velmi malé verze, ale tyto levné křemíkové oscilátory mají také velmi dobrý výkon. MTBF je 1140 milionů hodin (FIT 0,88) a je nejlepší v oboru. Ve srovnání s křemennými oscilátory jsou křemíkové oscilátory 30krát méně citlivé na otřesy a vibrace a 54krát méně citlivé na vnější elektromagnetická pole.
[caption id="attachment_434" align="alignright" width="300"] Obrázek 4: Všechny možné křemenné oscilátory jsou obsaženy v sortimentu technologie Petermann[/caption].
V závislosti na konstrukci mohou být křemíkové oscilátory napájeny knoflíkovým článkem například po dobu deseti let. Inovativní křemíkové oscilátory jsou inteligentní taktovací zařízení a jsou pin-to-pin kompatibilní s křemennými oscilátory a oscilátory MEMS.
Křemíkové oscilátory SMD jsou nejlepší a nejtrvanlivější volbou pro nový vývoj a jako náhrada křemenných a MEMS oscilátorů. Specialisté společnosti Petermann-Technik navíc mohou ukázat, jak lze vhodným dimenzováním oscilátoru ušetřit několikanásobné náklady. Sortiment křemíkových oscilátorů zahrnuje oscilátory s velmi nízkým výkonem (kHz + MHz), oscilátory hodin s nízkým výkonem, ultra výkonné oscilátory, diferenciální oscilátory, oscilátory s rozprostřeným spektrem, TC a VCTCxO, oscilátory pro vysoké teploty (v současné době se testují verze až do +155 °C), vysoce přesné oscilátory (řada Splendid) a oscilátory pro automobilový průmysl (AECQ100).
KŘEMÍKOVÉ OSCILÁTORY HODIN S NÍZKOU SPOTŘEBOU ENERGIE
Podsegment nízkovýkonných křemíkových oscilátorů zahrnuje verze s optimalizovaným jitterem ve frekvenčním rozsahu od 1,0 do 137,0 MHz s teplotní stabilitou ±20 ppm při -40 až +85 °C (řada LPO), od ±20 ppm, -40 až +105 °C do -55 až +125 °C (řada HTLPO) a automobilové oscilátory AEC100 z řad LPO-AUT (-40 až +85 °C) a HTLPO-AUT (-40 až +105 °C a -55 až 125 °C). MTBF je 1140 milionů hodin. Inovativní technologie integrovaných obvodů CMOS těchto oscilátorů umožňuje například výrazně zlepšit chování příslušných verzí z hlediska EMC prostřednictvím tzv. funkce měkké úrovně. Díky prodloužení doby náběhu/spádu až o 45 % je útlum EMC na 11. harmonické vyšší než -60 dB. Obrovská hodnota za tak jednoduché nastavenítrise a tfall, které je pro zákazníka zdarma.
[caption id="attachment_435" align="alignright" width="300"] Obrázek 5: Křemíkové oscilátory na bázi polovodičů jsou velmi levné, variabilní a extrémně odolné. Ve stále více aplikacích nahrazují křemenné krystaly a křemenné oscilátory[/caption].
Ačkoli jsou křemíkové oscilátory s nízkým výkonem k dispozici v různých standardních pouzdrech o rozměrech od 2,0 × 1,6 mm do 7,0 × 5,0 mm, pro nový vývoj se konstruktérům aplikací nabízí odpovídající verze oscilátoru v pouzdře o rozměrech 2,0 × 1,6 mm nebo maximálně 2,5 × 2,0 mm, s velmi širokým rozsahem napájecího napětí 2,25 až 3,63 V DC.(-xx- v označení výrobku), stabilitou frekvence ±20 ppm při -40 až +85 °C, ±30 ppm při -40 až +105 °C, ±30 ppm při -40/+125 °C a ±50 ppm při -55 až +125 °C, s požadovanou frekvencí. Funkce vývodu 1 je pohotovostní. I když funkce stand-by není nezbytně nutná. Důvod: Náročnost zapojení vývodu 1 je v poměru k možné úspoře ceny velmi malá. Obvykle jsou skladové zásoby s funkcí stand-by k dispozici ve velkém množství, takže je lze dodat ve velmi krátké době a za výhodnou cenu. Oscilátory bez funkce stand-by na vývodu 1 se obvykle vyrábějí na zakázku v požadovaném množství, což je obvykle výrazně dražší. Pokud není k dispozici skladové množství požadovaného oscilátoru, je standardní dodací lhůta i u výrobků na zakázku čtyři až maximálně šest týdnů (obr. 5).
ULTRA VÝKONNÉ KŘEMÍKOVÉ OSCILÁTORY
Ultra výkonné oscilátory dostupné ve frekvenčním rozsahu od 1,0 do 220 MHz mají také již popsanou funkci měkké úrovně. Integrované obvody CMOS umožňují snížit jitter na 0,5 ps v integračním pásmu 12 kHz až 20 MHz, takže tyto oscilátory lze použít ve všech aplikacích s kritickým jitterem. Velmi výkonné křemíkové oscilátory jsou k dispozici s frekvenční stabilitou až ±10 ppm při teplotách -40 až +85 °C. Stárnutí je ±5 ppm po deseti letech.
DIFERENCIÁLNÍ KŘEMÍKOVÉ OSCILÁTORY
Diferenciální oscilátory dostupné ve frekvenčním rozsahu od 1,0 do 725 MHz se již obvykle nepoužívají výhradně v telekomunikacích, sítích, videu, paměťových zařízeních a serverech, ale stále častěji se používají také v automobilových aplikacích (AECQ100). Diferenciální oscilátory nabízejí výstupní signály LVPEC, LVDS nebo HCSL s typickým jitterem 0,23 ps (156,25 MHz při 12 kHz - 20 MHz). Frekvenční stabilita je k dispozici od ±10 ppm při -40 až +85 °C nebo od ±25 ppm při -40 až +105 °C u verzí pro automobilový průmysl. Diferenciální křemíkové oscilátory jsou k dispozici ve standardních šestipinových pouzdrech o rozměrech 3,2 × 2,5 mm, 5,0 × 3,2 mm a 7,0 × 5,0 mm s napájecím napětím od 2,25 do 3,63 V DC.
TCXOS A VC-TCXOS
Pokud vývojář nepožaduje extrémně velké rozsahy řídicího napětí frekvence až 1600 ppm, pak jsou stále nejlepší a nejvýhodnější volbou TCxO a VC-TCxO na bázi krystalů ve frekvenčním rozsahu od 9,6 do 60 MHz. Tyto vysoce přesné oscilátory, které jsou k dispozici v keramických pouzdrech o rozměrech 3,2 mm × 2,0 mm, 2,5 mm × 2,0 mm, 2,0 mm × 1,6 mm nebo dokonce 1,6 mm × 12 mm, mají standardní teplotní stabilitu ±0,5 ppm při -40 až +85 °C a stárnutí ±1,0 ppm po prvním roce. Rozsah napájecího napětí je 1,6 až 3,63 V DC. Keramické pouzdro o rozměrech 2,5 × 2,0 mm je nejvýhodnější a doporučuje se pro použití v novém vývoji, pokud není požadováno menší pouzdro.
OSCILÁTORY S VELMI NÍZKÝM VÝKONEM 32,768 KHZ
Energeticky úsporná a velmi rychlá datová komunikace nebo polohování po režimu spánku je možné pouze s velmi přesnými a rychlými systémovými hodinami 32,768 kHz. S křemíkovým oscilátorem s frekvencí 32,768 kHz může řešení napájené z baterie a založené na technologii hibernace ušetřit více než 50 % energie. Například knoflíkový článek může napájet aplikaci využívající oscilátor s velmi nízkou spotřebou 32,768 kHz až deset let.
Technologii hibernace využívá mnoho koncových produktů, včetně nositelných zařízení, komunikačních jednotek Bluetooth Low Energy (BLE) pro komerční, průmyslové a automobilové aplikace, aplikací internetu věcí, GPS (komerční a automobilové), komunikace M2M, osobních sledovacích zařízení a zdravotnických systémů pro monitorování pacientů, inteligentního měření, domácí automatizace, bezdrátového připojení atd. V těchto aplikacích se nejvíce energie spotřebuje na energeticky náročný režim synchronizace, který je velmi často nutné provádět v definovaných časových oknech. V takových aplikacích se k taktování RTC čipu BLE a µC kromě vysoce přesného krystalu MHz pro rádio obvykle používají dva krystaly o frekvenci 32,768 kHz. Vzhledem ke své technologii má krystal 32,768 kHz velmi špatné teplotní chování a frekvence je okamžitě zkreslena bludnou kapacitou nebo měnícími se kapacitními poměry v obvodu, což znamená, že frekvenční drift 32,768 kHz je velmi vysoký. To znamená, že synchronizace se musí provádět velmi často, což spotřebovává velké množství energie.
Při použití oscilátorů s ultranízkým příkonem 32,768 kHz (řady ULPO-RB1, ULPO-RB2 a ULPPO) to již neplatí, protože oscilátory s ultranízkým příkonem 32,768 kHz, které jsou k dispozici od teplotní stability ±5 ppm v rozsahu -40 až +85 °C, umožňují synchronizovat aplikaci mnohem méně často (výrazné prodloužení doby hybernace), což šetří více než 50 % energie systému. Desku lze také zmenšit, protože oscilátor o rozměrech 1,5 × 0,8 mm a frekvenci 32,768 kHz může současně řešit RTC a µC a je o 85 procent menší ve srovnání s krystalem o rozměrech 2,0 × 1,2 mm a frekvenci 32,768 kHz s kapacitami externích obvodů.
Oscilátory s velmi nízkou spotřebou 32,768 kHz, které jsou k dispozici vrozsahu VDD od 1,5 do 3,63 VDC, mají v závislosti na verzi spotřebu proudu menší než 1 µA a umožňují také velmi rychlou a spolehlivou oscilaci taktovaných integrovaných obvodů.
Další informace naleznete v části:
Technické otázky:
Telefon: 0 81 91 / 30 53 95
E-mail: info(at)petermann-technik.de
