Oscillatori al quarzo: tipi, proprietà e applicazioni

Q: Che cos'è un oscillatore al quarzo e a cosa serve?

L'oscillatore a cristallo è un circuito elettronico che genera una frequenza altamente stabile utilizzando un cristallo oscillante. Viene utilizzato quando sono richiesti segnali di clock precisi, frequenze di riferimento o una sincronizzazione affidabile. A seconda del progetto e delle condizioni ambientali, è possibile ottenere una stabilità di frequenza compresa tra 10E-5 e 10E-12 al giorno. Per le applicazioni standard si utilizzano solitamente moduli oscillatori standardizzati, mentre le soluzioni ad alta precisione sono spesso personalizzate. Le applicazioni tipiche vanno dalla tecnologia di comunicazione e navigazione ai dispositivi di misura, ai router, ai sistemi IoT e IIoT.

Q: Quali sono le differenze tra SPXO, VCXO, TCXO e OCXO?

SPXO, VCXO, TCXO e OCXO si differenziano principalmente per la loro stabilità, controllabilità e idoneità a diverse condizioni ambientali. Un SPXO è l'oscillatore al quarzo più comunemente utilizzato ed è particolarmente adatto per applicazioni standard con un buon rapporto prezzo/prestazioni. Anche un VCXO consente il controllo della frequenza tramite una tensione continua esterna e viene utilizzato principalmente per la sincronizzazione con un segnale di riferimento o per la modulazione di frequenza. Un TCXO compensa le variazioni di frequenza legate alla temperatura ed è quindi particolarmente adatto per applicazioni di alta precisione nelle comunicazioni e nella navigazione. Un OCXO funziona con un termostato riscaldato e offre la massima stabilità quando è richiesta una deriva di frequenza molto bassa.

Q: Quali fattori influenzano la stabilità di frequenza degli oscillatori al quarzo?

La stabilità di frequenza degli oscillatori al quarzo è determinata da diverse influenze elettriche e fisiche. Le variazioni di temperatura hanno un effetto diretto sulla frequenza del cristallo, anche con i cristalli AT-cut stabili alla temperatura, e gli elementi di commutazione aggiuntivi possono aumentare ulteriormente questo effetto. Anche le variazioni di tensione influenzano la frequenza, in particolare attraverso le variazioni capacitive nei transistor dell'amplificatore. Inoltre, l'impedenza di carico in uscita può spostare la frequenza, motivo per cui gli amplificatori tampone sono utili per il disaccoppiamento. Un altro fattore importante è l'invecchiamento, che si manifesta soprattutto nei primi mesi di funzionamento e può essere ridotto con un rodaggio a temperatura elevata.

Q: Quando un TCXO è la scelta giusta per applicazioni a frequenza precisa?

Un TCXO è la scelta giusta quando è richiesta una precisione ad alta frequenza in presenza di temperature variabili. La compensazione della temperatura può essere analogica tramite reti di termistori o digitale tramite sensori, ADC, memoria e DAC. I TCXO sono oggi particolarmente richiesti nelle tecnologie di comunicazione e navigazione perché offrono un ottimo rumore di fase e valori di jitter eccellenti. Ciò li rende ideali per applicazioni GPS, GLONASS, smartphone, radio, router, IoT e smart meter. I TCXO sono spesso preferibili agli oscillatori MEMS per i circuiti con moltiplicazione successiva della frequenza.

Q: Quali sono i progetti, le gamme di frequenza e le tensioni disponibili per gli oscillatori al quarzo?

Gli oscillatori a cristallo sono disponibili in pacchetti di diverse dimensioni, gamme di frequenza e tensioni di alimentazione per coprire un'ampia gamma di requisiti di progettazione. Gli SPXO sono disponibili in contenitori ceramici miniaturizzati da 1,6x1,2 mm a 7,0x5,0 mm, con 2,5x2,0 mm come formato più comunemente utilizzato. I TCXO sono disponibili nella gamma da 9,6 a 52 MHz e sono disponibili in pacchetti da 1,6x1,2 mm a 3,2x2,5 mm. Le tensioni di alimentazione tipiche sono 1,8 VCC, 2,5 VCC e 3,3 VCC. Per le applicazioni più complesse, è possibile realizzare soluzioni per intervalli di temperatura da -40 a +125 °C e versioni conformi alle normative automotive.

Q: Perché gli oscillatori al quarzo PETERMANN-TECHNIK e le loro applicazioni?

PETERMANN-TECHNIK è una scelta importante per gli oscillatori al quarzo e le loro applicazioni, perché l'azienda offre un'ampia gamma di SPXO, VCXO, TCXO e altre soluzioni di oscillatori. È possibile realizzare prodotti standardizzati e soluzioni di frequenza ad alta precisione e personalizzate per requisiti speciali. Utilizzando il configuratore di prodotto, gli oscillatori a cristallo adatti possono essere assemblati in modo semplice e specifico. La gamma disponibile comprende design compatti, diverse tensioni di alimentazione, gamme di frequenza rilevanti e requisiti di temperatura estesi. In questo modo, i clienti industriali B2B possono disporre di soluzioni tecnicamente precise, orientate all'applicazione ed economicamente vantaggiose da un unico fornitore.

Introduzione:

Gli oscillatori al quarzo sono circuiti elettronici basati su un cristallo di quarzo oscillante per generare una frequenza altamente stabile. A seconda dei requisiti e delle condizioni ambientali, è possibile ottenere una stabilità di frequenza compresa tra 10E-5 e 10E-12 al giorno. Per le applicazioni di tutti i giorni sono disponibili moduli di oscillatori standardizzati, mentre gli oscillatori ad alta precisione sono solitamente progettati e prodotti individualmente per esigenze speciali.

Tipi di oscillatori:

Secondo gli standard internazionali, gli oscillatori a cristallo sono suddivisi nelle seguenti categorie:

SPXO - Oscillatori a cristallo a pacchetto semplice
VCXO - Oscillatore a cristallo controllato in tensione
TCXO - Oscillatore a cristallo compensato in temperatura
OCXO - Oscillatori a cristallo stabilizzati in temperatura (Oven Controlled Crystal Oscillator)
LPXO - Oscillatori a cristallo a bassa potenza con stabilità di temperatura di ±0,5 ppm al di sopra di -40/+85°C e con un invecchiamento di ±1x10E-6.

SPXO: oscillatori al quarzo semplici o anche chiamati oscillatori CLOCK

Un SPXO utilizza un amplificatore di retroazione in cui il cristallo agisce come elemento di determinazione della frequenza. La frequenza risulta dalla condizione che lo sfasamento nell'anello sia un multiplo di 2π. La stabilità e il basso rumore dipendono dalla qualità del cristallo, dal circuito integrato utilizzato e dalla progettazione del circuito.

La frequenza può essere regolata con precisione regolando in modo specifico la capacità di carico. Sono importanti

Precisione della frequenza
Comportamento in temperatura
Dipendenza dalla tensione di esercizio
Stabilità a lungo e breve termine
Sensibilità al carico

Gli SPXO sono gli oscillatori più utilizzati al mondo. In termini di quantità, sono superiori agli oscillatori MEMS, e non solo in termini di prezzo.

È possibile configurare facilmente gli SPXO utilizzando il nostro configuratore di prodotto. Fare clic qui: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-oszillatoren.html

Gli SPXO sono disponibili in custodie ceramiche miniaturizzate che vanno da 1,6x1,2 mm/4pad a 7,0x5,0 mm/4pad. La custodia più comunemente utilizzata ha dimensioni di 2,5x2,0 mm/4pad.

VCXO: oscillatori a cristallo controllati in tensione

I VCXO (oscillatori al quarzo controllati in tensione) consentono il controllo della frequenza tramite una tensione continua esterna. Di solito vengono utilizzati solo per sincronizzare un dispositivo/applicazione a un segnale di riferimento in ingresso (concetto master-slave) o per la modulazione di frequenza. Un diodo capacitivo (varactor) sostituisce il condensatore di regolazione.

Parametri tipici:

Campo di trazione in frequenza (pull range = ad esempio ±50ppm min.)
Sensibilità di trazione (pullability = ad esempio ±10ppm/pF)
Non linearità della modulazione (ad esempio 10% max.)

Naturalmente, è possibile definire i VCXO utilizzando i nostri configuratori di prodotto. A tale scopo, fare clic su : : https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-oszillatoren.html

I VCXO non sono più così diffusi come 10 anni fa. Molti circuiti integrati corrispondenti offrono già un diodo varactor integrato su XIN/XOUT, che può essere utilizzato per tirare un cristallo nel circuito. Ciò significa che un VCXO non è più necessario.

È possibile definire i VCXO tramite i nostri configuratori di prodotto

TCXO: oscillatori a cristallo compensati in temperatura

Con il TCXO, la variazione di frequenza è compensata dalla temperatura. A seconda del processo, il controllo può essere analogico (con reti di termistori) o digitale (con sensore, ADC, memoria e DAC).

I TCXO stanno vivendo una vera e propria rinascita nella tecnologia delle comunicazioni e della navigazione e possono essere prodotti in modo molto economico grazie ai circuiti integrati che utilizziamo. I TCXO sono gli oscillatori a cristallo di alta precisione più utilizzati e sono caratterizzati da un ottimo rumore di fase e da eccellenti valori di jitter. Ciò rende i TCXO la prima scelta e la preferenza rispetto agli oscillatori MEMS quando vengono utilizzati in circuiti con successiva moltiplicazione di frequenza.

Le aree di utilizzo tipiche sono le applicazioni GPS e GLONASS, gli smartphone, i dispositivi radio, IoT, IIoT, le applicazioni per contatori intelligenti, i router, i dispositivi di misura, ecc.

Stabilità di frequenza raggiungibile:

Tipicamente <0,5 - 2,5 ppm con temperature comprese tra -40 e +85 °C.

Naturalmente, possiamo fornire anche TCXO con temperature fino a -40/+125°C o soluzioni conformi alle normative automotive. È sufficiente personalizzare qui il TCXO desiderato: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-oszillatoren.html

I TCXO sono disponibili nella gamma di frequenze da 9,6 a 52 MHz negli alloggiamenti 1,6x1,2 mm/4pad - 3,2x2,5 mm/4pad. Le tensioni di alimentazione sono 1,8VDC, 2,5VDC e 3,3VDC.

TCXO nell'intervallo di temperatura fino a -40/+125°C

OCXO: oscillatori a cristallo stabilizzati in temperatura

Gli OCXO funzionano con un termostato riscaldato che mantiene il quarzo ed eventualmente il circuito a una temperatura costante. Con l'OCXO, la temperatura del termostato può essere compresa nell'intervallo di +85°C. In linea di principio, la temperatura di riscaldamento è vicina al punto di inversione della curva TC del quarzo. Per ridurre al minimo la deriva di frequenza del risonatore al quarzo, nell'OCXO viene utilizzato un cristallo di quarzo in un overtone. Normalmente nel 3° o 5° overtone. In particolare, nel 5° tono la capacità dinamica C1 (capacità shunt) è molto bassa, il che facilita la compensazione della frequenza del cristallo.

Esistono termostati a uno o due stadi (doppi). Questi ultimi offrono la massima stabilità di temperatura con basse deviazioni di frequenza. Inoltre, a seconda della precisione richiesta, si utilizzano risonatori al quarzo con taglio AT o SC. I cristalli con taglio SC offrono una precisione di frequenza e una stabilità di temperatura molto più elevate rispetto ai cristalli con taglio AT.

Precisioni tipiche:

< 1 x 10E-7 (OCXO singolo)
< 1 x 10E-9 (OCXO doppio)

A causa del consumo energetico e delle dimensioni, l'uso degli OCXO è solitamente riservato ad applicazioni di alta precisione, come le stazioni base dei telefoni cellulari, gli standard di riferimento GPS, la tecnologia di misura o le telecomunicazioni.

Riepilogo dei parametri importanti dell'oscillatore

Frequenza nominale e tolleranza
Variazione di frequenza dovuta a: Temperatura, tensione, carico, tempo (invecchiamento)
Comportamento di rodaggio, stabilità a breve termine
Alimentazione: tensione, corrente, ripple
Segnale di uscita: livello, forma, rumore
Fattori ambientali: intervallo di temperatura, urti, vibrazioni

Possiamo fornire OCXO in diversi contenitori THT e SMD a seconda della precisione richiesta e del metodo di lavorazione. Il contenitore più comunemente utilizzato è un pacchetto SMD da 25x25mm/5pad.

OCXO in base alla precisione e al metodo di elaborazione desiderati

LPXO - Oscillatori a cristallo a bassa potenza

Gli LPXO sono una "via di mezzo" tra gli SPXO e i TCXO. Gli LPXO vengono sempre utilizzati quando è richiesto un basso consumo energetico o quando la tolleranza di frequenza di un SPXO è troppo bassa ma quella di un TCXO è troppo precisa. Ciò significa che un LPXO è sempre più economico di un TCXO.

Aree di applicazione - vedi: https://www.petermann-technik.de/unternehmen/anwendungen.html

Gli LPXO sono disponibili nella gamma di frequenze da 9,6 a 52 MHz in alloggiamenti in ceramica con dimensioni da 1,6x1,2 mm/4pd a 3,2x2,5 mm/4pad e con tensioni di alimentazione di 1,8 VDC, 2,5 VDC, 3,0 VDC o 3,3 VDC.

LPXO nella gamma di frequenza da 9,6 a 52 MHz in custodia ceramica

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FAQs

Che cos'è un oscillatore al quarzo e a cosa serve?

L'oscillatore a cristallo è un circuito elettronico che genera una frequenza altamente stabile utilizzando un cristallo oscillante. Viene utilizzato quando sono richiesti segnali di clock precisi, frequenze di riferimento o una sincronizzazione affidabile. A seconda del progetto e delle condizioni ambientali, è possibile ottenere una stabilità di frequenza compresa tra 10E-5 e 10E-12 al giorno. Per le applicazioni standard si utilizzano solitamente moduli oscillatori standardizzati, mentre le soluzioni ad alta precisione sono spesso personalizzate. Le applicazioni tipiche vanno dalla tecnologia di comunicazione e navigazione ai dispositivi di misura, ai router, ai sistemi IoT e IIoT.

Quali sono le differenze tra SPXO, VCXO, TCXO e OCXO?

SPXO, VCXO, TCXO e OCXO si differenziano principalmente per la loro stabilità, controllabilità e idoneità a diverse condizioni ambientali. Un SPXO è l'oscillatore al quarzo più comunemente utilizzato ed è particolarmente adatto per applicazioni standard con un buon rapporto prezzo/prestazioni. Anche un VCXO consente il controllo della frequenza tramite una tensione continua esterna e viene utilizzato principalmente per la sincronizzazione con un segnale di riferimento o per la modulazione di frequenza. Un TCXO compensa le variazioni di frequenza legate alla temperatura ed è quindi particolarmente adatto per applicazioni di alta precisione nelle comunicazioni e nella navigazione. Un OCXO funziona con un termostato riscaldato e offre la massima stabilità quando è richiesta una deriva di frequenza molto bassa.

Quali fattori influenzano la stabilità di frequenza degli oscillatori al quarzo?

La stabilità di frequenza degli oscillatori al quarzo è determinata da diverse influenze elettriche e fisiche. Le variazioni di temperatura hanno un effetto diretto sulla frequenza del cristallo, anche con i cristalli AT-cut stabili alla temperatura, e gli elementi di commutazione aggiuntivi possono aumentare ulteriormente questo effetto. Anche le variazioni di tensione influenzano la frequenza, in particolare attraverso le variazioni capacitive nei transistor dell'amplificatore. Inoltre, l'impedenza di carico in uscita può spostare la frequenza, motivo per cui gli amplificatori tampone sono utili per il disaccoppiamento. Un altro fattore importante è l'invecchiamento, che si manifesta soprattutto nei primi mesi di funzionamento e può essere ridotto con un rodaggio a temperatura elevata.

Quando un TCXO è la scelta giusta per applicazioni a frequenza precisa?

Un TCXO è la scelta giusta quando è richiesta una precisione ad alta frequenza in presenza di temperature variabili. La compensazione della temperatura può essere analogica tramite reti di termistori o digitale tramite sensori, ADC, memoria e DAC. I TCXO sono oggi particolarmente richiesti nelle tecnologie di comunicazione e navigazione perché offrono un ottimo rumore di fase e valori di jitter eccellenti. Ciò li rende ideali per applicazioni GPS, GLONASS, smartphone, radio, router, IoT e smart meter. I TCXO sono spesso preferibili agli oscillatori MEMS per i circuiti con moltiplicazione successiva della frequenza.

Quali sono i progetti, le gamme di frequenza e le tensioni disponibili per gli oscillatori al quarzo?

Gli oscillatori a cristallo sono disponibili in pacchetti di diverse dimensioni, gamme di frequenza e tensioni di alimentazione per coprire un'ampia gamma di requisiti di progettazione. Gli SPXO sono disponibili in contenitori ceramici miniaturizzati da 1,6x1,2 mm a 7,0x5,0 mm, con 2,5x2,0 mm come formato più comunemente utilizzato. I TCXO sono disponibili nella gamma da 9,6 a 52 MHz e sono disponibili in pacchetti da 1,6x1,2 mm a 3,2x2,5 mm. Le tensioni di alimentazione tipiche sono 1,8 VCC, 2,5 VCC e 3,3 VCC. Per le applicazioni più complesse, è possibile realizzare soluzioni per intervalli di temperatura da -40 a +125 °C e versioni conformi alle normative automotive.

Perché gli oscillatori al quarzo PETERMANN-TECHNIK e le loro applicazioni?

PETERMANN-TECHNIK è una scelta importante per gli oscillatori al quarzo e le loro applicazioni, perché l'azienda offre un'ampia gamma di SPXO, VCXO, TCXO e altre soluzioni di oscillatori. È possibile realizzare prodotti standardizzati e soluzioni di frequenza ad alta precisione e personalizzate per requisiti speciali. Utilizzando il configuratore di prodotto, gli oscillatori a cristallo adatti possono essere assemblati in modo semplice e specifico. La gamma disponibile comprende design compatti, diverse tensioni di alimentazione, gamme di frequenza rilevanti e requisiti di temperatura estesi. In questo modo, i clienti industriali B2B possono disporre di soluzioni tecnicamente precise, orientate all'applicazione ed economicamente vantaggiose da un unico fornitore.

Oscillatori al quarzo e loro applicazioni