Produk penunjuk waktu hampir ada di mana-mana dan merupakan bagian penting dari masyarakat modern. Pengaturan waktu yang tepat memerlukan perangkat seperti kristal kuarsa yang berosilasi pada frekuensi yang tepat, serta sirkuit terintegrasi (IC) yang mengontrol perangkat tersebut. Modul jam yang dikemas biasanya berisi kristal dan IC kontrol. Rangkaian osilator elektronik memiliki rentang frekuensi dari kilohertz (kHz) hingga megahertz (MHz).
Kristal KHz dapat dijual terpisah atau diintegrasikan ke dalam produk lain seperti Crystal Oscillators (CXO), Digital Temperature Compensated Crystal Oscillators (DTCXO), dan Real Time Clock (RTC).
Faktor penentu pemilihan kristal kHz
Saat memilih kristal kHz untuk suatu aplikasi, ukuran dan frekuensi yang diperlukan adalah pertimbangan paling penting, namun beberapa parameter lain juga penting untuk merancang rangkaian yang tepat.
Ini termasuk:
Toleransi Frekuensi, Stabilitas dan Penuaan
Kapasitansi beban (CL)
Resistansi seri ekuivalen (ESR)
Tingkat berkendara (DL)
suhu kerja
Kristal KHz biasanya memiliki persyaratan ASIC, yang mencantumkan nilai parameter yang diperlukan. Informasi ASIC memberikan titik awal yang kuat untuk desain sirkuit. Tren miniaturisasi sirkuit elektronik berarti bahwa perancang perlu memberikan perhatian khusus pada faktor-faktor ini karena ukuran dan kemasan komponen yang padat mempengaruhi karakteristik dan kinerja kristal. Namun, proses pembuatan fotolitografi memastikan bahwa miniaturisasi rangkaian osilator kristal tidak mempengaruhi parameter yang diperlukan untuk pengoperasian yang efisien.
Toleransi Frekuensi, Stabilitas dan Penuaan
Meskipun kristal menentukan frekuensi tertentu, penyimpangan frekuensi dapat terjadi karena tekanan dalam proses pembuatan atau regangan pada permukaan selama pengoperasian rutin. Penyimpangan frekuensi dapat diringkas dengan mengevaluasi tiga parameter: toleransi frekuensi, stabilitas frekuensi, dan penuaan.
Toleransi frekuensi didefinisikan sebagai perbedaan antara frekuensi aktual dan nominal kristal pada+25 °C. Stabilitas frekuensi mengacu pada pergeseran frekuensi maksimum yang disebabkan oleh suhu dalam kisaran suhu yang disetel. Untuk meningkatkan akurasi kristal, disarankan untuk menggunakan kHz XO, yang memungkinkan perubahan frekuensi seiring suhu (Gbr. 1) dan dikalibrasi sesuai dengan itu. Terakhir, penuaan adalah penyimpangan frekuensi dari waktu ke waktu. Segel mengurangi efek penuaan tetapi dapat meningkatkan ukuran.
Frekuensi osilator versus grafik suhu
Gambar 1: Frekuensi osilator bervariasi menurut suhu dan perlu dipertimbangkan dalam proses pengukuran, khususnya untuk lingkungan ekstrem. Sumber gambar: Epson disediakan melalui IEEE)
Kapasitansi beban (CL)
Kapasitansi antara dua terminal kristal adalah kapasitansi bebannya. Perancang perlu mempertimbangkan kapasitansi liar eksternal karena menyebabkan penyimpangan frekuensi.
Ketidaksesuaian antara CL dan kapasitansi rangkaian menjadi perhatian khusus ketika menggunakan kristal yang lebih kecil karena kristal yang lebih kecil lebih sensitif terhadap variasi kapasitansi. Kristal dengan nilai CL rendah juga sangat sensitif terhadap frekuensi. Untuk mendesain sirkuit kecil di ruang terbatas, desainer sering memilih kristal dengan nilai CL lebih tinggi.
Tingkat berkendara (DL)
DL adalah jumlah arus yang diperlukan untuk mempertahankan osilasi tetap dan meminimalkan kerusakan struktural. Disarankan untuk memilih kristal dengan nilai DL sama atau lebih besar dari level penggerak sirkuit yang diberikan untuk menghindari ketidakstabilan frekuensi atau kegagalan dini.
suhu kerja
Pengaruh suhu terhadap frekuensi melebihi kisaran yang ditentukan oleh indeks stabilitas frekuensi. Perancang perlu mempertimbangkan tidak hanya suhu pengoperasian seluruh rangkaian, tetapi juga lokasi kristal di sirkuit, karena beberapa area lebih mudah panas dibandingkan area lainnya. Selain itu, semakin kecil sirkuit dan kristalnya, semakin rapat paket komponennya, dan semakin banyak panas yang dihasilkan seluruh sistem. Dalam hal ini, yang terbaik adalah menggunakan kristal yang terkalibrasi lebih baik pada rentang suhu tertentu, seperti produk DTCXO atau RTC. Modul DTCXO dan RTC bekerja dengan baik dalam desain yang ringkas dan juga bermanfaat dalam aplikasi yang memerlukan stabilitas tinggi atau konsumsi daya rendah.
Kristal KHz dan modul terkait
Epson memproduksi kristal kHz dalam jumlah besar, serta modul DTCXO dan RTC. Beberapa produk tersebut dan spesifikasinya diperkenalkan secara singkat di bawah ini.
Seri FC3215AN adalah kristal 32,768 kHz dengan ESR serendah 35 k Ω dan paket ringkas, sehingga ideal untuk elektronik portabel dan aplikasi dengan ruang terbatas. Seri FC3215AN berlaku untuk berbagai aplikasi, seperti modul nirkabel, Internet of Things, medis, industri, peralatan pemantauan keamanan, meteran pintar, elektronik konsumen, dan aplikasi MCU berdaya rendah. Kisaran ini mendukung rentang suhu pengoperasian yang diperluas dari -40 °C hingga+105 °C dengan enkapsulasi 3,2 mm x 1,5 mm x 0,9 mm dan penetapan pin standar.
Kristal seri FC2012AN 32,768 kHz mirip dengan spesifikasi seri FC3215AN, tetapi menggunakan paket yang lebih kecil 2,05 mm x 1,2 mm x 0,6 mm dan penetapan pin standar. Demikian pula, rangkaian kristal FC2012SN (Gambar 2) sangat cocok untuk berbagai aplikasi, seperti perangkat wearable MCU, dan modul nirkabel di bidang Internet of Things, perawatan medis, industri, keamanan, smart meter, dll.