Guide du concepteur pour la sélection d'un quartz kHz

Les produits qui mesurent le temps sont pratiquement omniprésents et font partie intégrante de la société moderne. Pour mesurer le temps avec précision, il est nécessaire d'utiliser un dispositif tel qu'un quartz qui oscille à une fréquence précise et un circuit intégré pour le contrôler. Un module d'horloge en boîtier inclut typiquement le quartz et le circuit intégré de contrôle. Les circuits d'oscillateurs électroniques peuvent être fabriqués pour des fréquences s'étendant du kilohertz (kHz) au mégahertz (MHz).

Les quartz kHz peuvent être vendus seuls ou intégrés à d'autres produits comme des oscillateurs à quartz (CXO), des oscillateurs à quartz numériques à compensation de température (DTCXO) et des horloges temps réel (RTC).

Facteurs déterminant le choix d'un quartz kHz

Si la taille et la fréquence requise sont les facteurs les plus importants à prendre en compte lors du choix d'un quartz kHz pour une application, quelques autres paramètres sont également essentiels pour concevoir le circuit approprié.

Il s'agit notamment des éléments suivants :

• Tolérance de fréquence, stabilité et vieillissement
• Capacité de charge (CL)
• Résistance série équivalente (ESR)
• Niveau d'attaque (DL)
• Température de fonctionnement

Les quartz kHz s'accompagnent typiquement d'exigences en matière de circuit intégré à application spécifique (ASIC) qui répertorient les valeurs des paramètres requis. Les informations ASIC peuvent constituer un point de départ solide pour la conception de circuits. La tendance à la miniaturisation des circuits électroniques oblige les concepteurs à accorder une attention particulière aux facteurs énumérés ci-dessus, car la taille et la densité des composants peuvent affecter les propriétés et les performances des quartz. Les procédés de fabrication photolithographiques garantissent toutefois que la miniaturisation des circuits d'oscillateurs à quartz ne compromet pas les paramètres nécessaires à un fonctionnement efficace.

Tolérance de fréquence, stabilité et vieillissement

Même si un quartz spécifie une certaine fréquence, des écarts peuvent se produire en raison des contraintes rencontrées pendant le processus de fabrication ou sur les surfaces pendant le fonctionnement normal. Les variations par rapport aux valeurs de fréquences spécifiées peuvent être résumées en évaluant trois paramètres : la tolérance de fréquence, la stabilité de fréquence et le vieillissement.

La tolérance de fréquence se définit comme la différence entre la fréquence réelle d'un quartz et sa fréquence nominale à +25°C. La stabilité de fréquence désigne le décalage de fréquence maximum induit par la température pouvant se produire sur une plage de températures donnée. Pour avoir un quartz plus précis, il est conseillé d'utiliser un oscillateur à quartz kHz, qui tient compte des variations de fréquence en fonction de la température (Figure 1) et qui est étalonné en conséquence. Enfin, le vieillissement désigne la dérive de fréquence au fil du temps. Le scellement hermétique réduit les effets du vieillissement, mais peut augmenter la taille.

Figure 1 : La fréquence de l'oscillateur varie en fonction de la température et doit être prise en compte dans le processus de sélection, en particulier lorsque l'application est utilisée dans des environnements extrêmes. (Source de l'image : Epson via IEEE)

Capacité de charge (CL)

La capacité entre les deux bornes d'un quartz est sa capacité de charge. Les concepteurs doivent tenir compte de la capacité parasite externe, qui peut provoquer une dérive de fréquence.

Il est particulièrement important de veiller à ce qu'il n'y ait pas de déséquilibre entre la capacité de charge (CL) et la capacité du circuit lorsque l'on utilise des quartz physiquement plus petits, qui sont plus sensibles aux variations de capacité. Les quartz à faible CL sont également particulièrement sensibles à la fréquence. Pour concevoir des circuits plus petits destinés à des espaces restreints, les ingénieurs de conception choisissent généralement des quartz avec une valeur CL élevée.

Niveau d'attaque (DL)

Le niveau d'attaque (DL) est la quantité de courant nécessaire pour maintenir une oscillation stable tout en limitant au maximum les dommages structurels. Il est recommandé de choisir un quartz dont le niveau DL est égal ou supérieur au niveau d'attaque d'un circuit donné afin d'éviter une fréquence instable ou une défaillance prématurée.

Température de fonctionnement

La température affecte la fréquence au-delà de ce qui peut être spécifié dans les valeurs de la stabilité de fréquence. Si les concepteurs doivent garder à l'esprit la température de fonctionnement globale du circuit, ils doivent également tenir compte de l'emplacement du quartz dans le circuit, car certaines zones peuvent être plus sujettes à la chaleur que d'autres. En outre, plus le circuit et le quartz sont petits, plus les composants sont rapprochés les uns des autres et plus la chaleur générée par l'ensemble du système est importante. Dans ce cas, il est préférable d'utiliser un quartz mieux étalonné pour une plage de températures, comme les oscillateurs à quartz numériques à compensation de température (DTCXO) ou les horloges temps réel (RTC). Les modules DTCXO et RTC fonctionnent bien dans les conceptions compactes ou dans les cas où la priorité est donnée à une haute stabilité ou à une basse consommation.

Quartz kHz et modules associés

Epson fabrique un grand nombre de quartz kHz ainsi que des modules DTCXO et RTC. Quelques-uns sont présentés ci-dessous avec leurs spécifications.

La série FC3215AN présente des quartz de 32,768 kHz avec une faible ESR de 35 kΩ dans un boîtier compact, qui conviennent parfaitement à l'électronique portable et aux applications à espace restreint. La série FC3215AN est idéale pour de nombreuses applications, telles que les modules sans fil, les équipements IoT, médicaux, industriels et de surveillance de sécurité, les compteurs intelligents, l'électronique grand public et les applications de microcontrôleur basse consommation. Elle prend en charge une plage de températures de fonctionnement étendue de -40°C à +105°C et est disponible en boîtier de 3,2 mm x 1,5 mm x 0,9 mm avec des brochages standard.

Les quartz 32,768 kHz série FC2012AN présentent des spécifications similaires à celles de la série FC3215AN et sont disponibles dans un boîtier plus petit de 2,05 mm x 1,2 mm x 0,6 mm avec des brochages standard. De même, les quartz série FC2012SN (Figure 2) conviennent parfaitement à une grande variété d'applications, telles que les dispositifs corporels, les microcontrôleurs et les modules sans fil pour les équipements IoT, médicaux, industriels et de sécurité, les compteurs intelligents, et plus.

Figure 2 : La série FC2012SN d'Epson offre une plage de températures de -40°C à +105°C dans un boîtier compact de 2,05 mm x 1,2 mm. (Source de l'image : Epson)

Les horloges temps réel RX8901CE et RX4901CE d'Epson sont des modules polyvalents, haute précision et basse consommation, parfaitement adaptés aux compteurs intelligents, aux équipements de sécurité et aux applications d'éclairage intelligent. Le système intégré, avec jusqu'à trois entrées d'événements, peut être utilisé pour détecter des événements et enregistrer leur horodatage pendant que le microcontrôleur reste en mode veille, réduisant la consommation d'énergie du système pour une durée de vie des batteries étendue. Les modules peuvent enregistrer des horodatages pour 32 événements en mode direct ou FIFO. Ils ne consomment que 240 nA à partir d'une alimentation de 3 V et intègrent un circuit de commutation d'alimentation qui élimine le besoin de diodes externes et leurs pertes. Les modules offrent une résolution temporelle de seulement 1/1024 de seconde et sont stables sur toute leur plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C. Le RX8901CE est dotée d'une interface I²C, tandis que le RX4901CE est disponible avec une interface SPI à 3 ou 4 fils.

Les horloges temps réel série RX8804 (Figure 3) utilisent la technologie DTCXO pour atteindre une précision de ±3,4 ppm ou ±8 ppm sur une plage de -40°C à +85°C ou de -40°C à +105°C, respectivement.

Figure 3 : Les horloges temps réel basse consommation série RX8804 d'Epson offrent une haute précision sur une large plage de températures. (Source de l'image : Epson)

La série RX8804 présente une très faible consommation typique de 0,35 µA, est disponible en boîtier en céramique à montage en surface de 3,2 mm x 2,5 mm x 1,0 mm, et intègre un quartz.

Enfin, le DTCXO 32,768 kHz TG-3541CE d'Epson est une référence de fréquence de précision adaptée aux applications grand public et industrielles, notamment l'IoT, les dispositifs corporels et mobiles, les capteurs, les systèmes GPS/GNSS, les compteurs d'énergie, et les applications de santé et de bien-être numériques. Spécifiquement pour les applications IoT, la précision de l'heure du TG-3541CE permet aux dispositifs de rester en veille profonde beaucoup plus longtemps et de se réactiver moins souvent pour prolonger la durée de vie des batteries. De plus, le DTCXO autonome peut considérablement améliorer la synchronisation du microcontrôleur ou de l'horloge temps réel sans aucune modification du logiciel, permettant aux concepteurs d'économiser du temps et des ressources. Le TG-3541CE présente une basse consommation de seulement 1,0 µA, et il est disponible en boîtier en céramique à montage en surface de 3,2 mm x 2,5 mm x 1,0 mm.

Conclusion

Les quartz, oscillateurs, RTC et DTCXO sont des composants essentiels dans les applications de contrôle de fréquence. Que ce soit pour les modules sans fil, les produits IoT, les dispositifs médicaux personnels ou les équipements industriels, la gamme de produits d'Epson offre une solution adaptée aux exigences spécifiques de chaque application.