Cristallo radio MHz e cristallo di clock 32.768 kHz - Guida tecnica
L'oscillatore a cristallo è il fulcro di ogni applicazione LoRaWAN. La scelta giusta determina la portata, l'affidabilità e l'efficienza energetica del dispositivo finale.
Questa guida illustra gli aspetti importanti nella scelta di un cristallo per LoRaWAN: il cristallo radio da 26 MHz o 32 MHz del ricetrasmettitore e il cristallo di clock da 32.768 kHz per l'orologio in tempo reale.
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) utilizza la tecnologia di modulazione LoRa® di Semtech per trasmettere dati su lunghe distanze (fino a 15 km in campo aperto) con un consumo energetico estremamente ridotto. Rispetto ad altre tecnologie wireless come Bluetooth, Wi-Fi o Zigbee, LoRaWAN pone requisiti particolarmente elevati ai componenti che generano la frequenza:
A seconda del circuito integrato del ricetrasmettitore LoRa utilizzato, è necessario un cristallo oscillante da 32 MHz o 26 MHz come clock di riferimento. L'attuale generazione di circuiti integrati Semtech (SX126x, LLCC68, LR11xx) funziona a 32 MHz. Alcuni chipset più vecchi o alternativi e alcuni progetti di gateway possono utilizzare 26 MHz.
IC ricetrasmettitore | Frequenza di riferimento | Max. ESR (Rs) | Applicazione tipica |
SX1276/77/78/79 | 32 MHz | ≤ 60 Ω (consigliato ≤ 40 Ω) | Dispositivi finali LoRaWAN Legacy |
SX1261/62 | 32 MHz | 40 Ω | Dispositivi finali LoRaWAN attuali |
LLCC68 | 32 MHz | ≤ 40 Ω | LoRaWAN Indoor a basso costo |
LR1110 / LR1120 | 32 MHz | 40 Ω | Tracciamento degli asset con GNSS |
SX1302/03 (Gateway) | 32 MHz | ≤ 40 Ω | Gateway LoRaWAN |
SX1301/SX1308 (Legacy) | 26/32 MHz | ≤ 40 Ω | Gateway LoRaWAN Legacy |
Moduli non Semtech | 26 o 32 MHz | dipendente dall'IC | Verifica scheda tecnica |
La frequenza di riferimento (26 MHz o 32 MHz) e la capacità di carico richiesta sono chiaramente specificate. Oppure chiedete a noi, che abbiamo già realizzato molte applicazioni con i circuiti integrati Semtech.
Questa è la decisione chiave nella scelta dei cristalli LoRaWAN:
Cristallo di cristallo consigliato per:
TCXO consigliato per:
Importante: le specifiche LoRaWAN della LoRa Alliance® non prescrivono il TCXO.
La scelta dipende dall'applicazione specifica.
Consigliata: ±10 ppm max. per i dispositivi finali LoRaWAN.
Per i dispositivi finali LoRaWAN standard nell'intervallo di temperatura da -20°C a +70°C, è sufficiente una stabilità di temperatura di ±10 ppm max. o per i dispositivi da -40°C a +85°C è sufficiente una stabilità di temperatura di ±15 ppm max. Per intervalli di temperatura più estesi, da -40°C a +105°C o addirittura da -40°C a 125°C, è necessario un cristallo con stabilità di temperatura ridotta o un TCXO.
Si raccomanda l'invecchiamento del cristallo dopo 10 anni con un massimo di ±10ppm.
La ESR (resistenza in serie) del cristallo è particolarmente importante per le applicazioni LoRaWAN:
Raccomandazione: utilizzare cristalli oscillanti con valori di ESR ben al di sotto dei valori massimi. I nostri esclusivi cristalli risonanti LRT (Low ESR Resonator Technology) offrono un vantaggio significativo in questo caso, grazie alla progettazione di risonatori ottimizzati per la resistenza con valori ESR particolarmente bassi.
Deve essere adattata alle raccomandazioni del circuito integrato. Valori comuni per i ricetrasmettitori LoRa: 6 pF, 8 pF, 9 pF, 10 pF o 12 pF, a seconda del CI e del progetto di riferimento. Un disallineamento sposta la frequenza operativa e può violare la tolleranza di frequenza complessiva. Nella maggior parte delle applicazioni, i nostri cristalli LoRa vengono utilizzati con una capacità di carico di 8 pF.
| Dimensioni dell'alloggiamento | Raccomandazione |
| 3,2 x 2,5 mm / 4 pad | Raccomandazione standard - miglior rapporto prezzo-prestazioni, valori di ESR molto bassi |
| 2,0 x 1,6 mm / 4 pad | Se lo spazio sulla scheda è limitato - sono disponibili anche valori di ESR bassi e già allo stesso livello di prezzo del cristallo 3,2x2,5mm/4pad |
| 1,6 x 1,2 mm / 4 pad | Per coloro che trovano il 3225 e il cristallo oscillante SMD 2016 troppo grandi - sono disponibili anche valori di ESR bassi |
| 2,5 x 2,0 mm / 4 pastiglie | Ancora disponibile, non più consigliato principalmente per i nuovi sviluppi |
| Parametri | Specifiche |
| Frequenza | 32.000 MHz (o 26.000 MHz - secondo la scheda tecnica del CI) |
| Tolleranza di frequenza | ±10 ppm a +25 °C |
| Stabilità di temperatura | ±10 ppm (-20/+70 °C) o ±15 ppm (-40/+85 °C) |
| Capacità di carico | 8 pF o 10 pF (secondo il progetto di riferimento del CI - altri valori di CL disponibili) |
| ESR (max.) | ≤ 40 Ω (consigliato: significativamente inferiore) |
| Alloggiamento | 3,2 x 2,5 mm / 4-pad o 2,0 x 1,6 mm / 4-pad in ceramica o 1,6 x 1,2 mm / 4-pad per applicazioni molto piccole |
| Intervallo di temperatura | Da -40 °C a +85 °C (o +125 °C per il settore automobilistico) |
Saremo lieti di assistervi nella scelta dell'involucro ceramico più adatto alla vostra interpretazione e realizzazione.
Oltre al cristallo radio a MHz, la maggior parte dei dispositivi finali LoRaWAN richiede un cristallo di clock a 32.768 kHz per l'orologio in tempo reale (RTC) del microcontrollore:
I nuovi ricetrasmettitori Semtech LR1110 e LR1120 dispongono di un oscillatore a cristallo a bassa frequenza (XOSC) integrato da 32.768 kHz, che può essere utilizzato direttamente per l'RTC. In alternativa, è possibile fornire un clock esterno a 32.768 kHz dal microcontrollore host tramite DIO11, oppure utilizzare un cristallo a 32.768 kHz con una capacità di carico di 9pF.
L'ESR è un parametro fondamentale anche per il quarzo a 32,768 kHz, forse ancora più critico di quello a MHz. Molti stadi oscillatori di microcontrollori hanno una resistenza di ingresso negativa limitata. Se la ESR è troppo alta, il cristallo non oscillerà in modo affidabile.
| Alloggiamento | Tipo. ESR (max.) | Nota |
| 3,2 x 1,5 mm / a 2 piastre | 50 kΩ | Miglior compromesso: ESR più bassa, prezzo più vantaggioso |
| 2,0 x 1,2 mm / 2 pastiglie | 70 kΩ | Se è necessario un alloggiamento più piccolo |
| 1,6 x 1,0 mm / 2 pastiglie | 90 kΩ | Alloggiamento più piccolo, ma ESR più alta - critico |
Raccomandazione: per le applicazioni LoRaWAN, il cristallo da 32,768 kHz in un alloggiamento in ceramica da 3,2 x 1,5 mm / 2 pad con ESR massima di 50 kΩ è la scelta più sicura e favorevole. La sua bassa resistenza garantisce un comportamento transitorio più rapido e sicuro.
Se lo spazio sulla scheda è ridotto, spesso la strategia migliore e più favorevole è quella di passare a un alloggiamento più piccolo per il cristallo a MHz (ad esempio 2,0 x 1,6 mm o addirittura 1,6 x 1,2 mm) e di attenersi al collaudato alloggiamento da 3,2 x 1,5 mm per il cristallo a 32,768 kHz: in questo caso il vantaggio in termini di ESR è massimo ed è più facile lavorare con l'M3215RR. M3215RR non causerà alcun problema di transitori.
Per la funzione RTC, una tolleranza di frequenza di ±20 ppm a +25 °C è sufficiente nella maggior parte dei casi. Per la sincronizzazione LoRaWAN di Classe B, può essere vantaggiosa una tolleranza più stretta di ±10 ppm.
Valori tipici: 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF, 12,5 pF o 18 pF. La capacità di carico deve corrispondere esattamente alle raccomandazioni del produttore dell'MCU. I cristalli da 32,768 kHz con le capacità di carico standard di 7 pF e 9 pF sono solitamente utilizzati nelle applicazioni LoRa WAN. Una fonte di errore frequente nei progetti LoRaWAN è l'uso di un cristallo da 32,768 kHz con una capacità di carico errata, che provoca uno spostamento sistematico della frequenza e una deriva dell'RTC.
| Parametri | Specifiche |
| Frequenza | 32,768 kHz |
| Tolleranza di frequenza | ±20 ppm a +25 °C (±10 ppm per la Classe B) |
| Capacità di carico | Secondo la scheda tecnica dell'MCU (ad es. 7 pF o 9 pF, altri valori disponibili) |
| ESR (max.) | ≤ 50 kΩ (consigliato) |
| Alloggiamento | 3,2 x 1,5 mm / ceramica a 2 piastre (consigliato) |
| Intervalli di temperatura | Da -40 °C a +85 °C, da -40 °C a +105 °C o da -40 °C a +125 °C |
La scelta del cristallo per le applicazioni LoRaWAN richiede un'attenta considerazione della precisione della frequenza, della ESR, delle dimensioni dell'alloggiamento e del costo. Per il cristallo radio MHz, un cristallo oscillante da 32 MHz (o 26 MHz, a seconda del circuito integrato) con bassa ESR (≤ 40 Ω) e tolleranza di frequenza di ±10 ppm è la scelta giusta per la maggior parte dei dispositivi finali. Naturalmente possiamo fornire anche TCXO a 32 MHz possono anche essere forniti. È preferibile la versione più favorevole in un alloggiamento in ceramica da 2,0 x 1,6 mm.
Per l'RTC, consigliamo un cristallo da 32,768 kHz in un contenitore ceramico da 3,2 x 1,5 mm con una ESR massima di 50 kΩ: il comportamento transitorio più affidabile al prezzo più basso.
Il fattore di successo decisivo è la collaborazione con uno specialista di cristalli in grado di supportarvi nel processo di selezione e, se necessario, di effettuare un'analisi del circuito per garantire la riserva di sicurezza di risposta ai transienti ottimale per la vostra specifica applicazione LoRaWAN.
I nostri esperti di frequenza saranno lieti di consigliarvi: contattateci per una raccomandazione personalizzata o utilizzate il nostro configuratore di quarzo per una rapida selezione del prodotto.
Configuratore di prodotto Oscillatore a cristallo a MHz 3,2 x 2,5 mm / 4 piastre
Configuratore di prodotto Cristallo di quarzo oscillante a MHz 2,0 x 1,6 mm / 4 pastiglie
Configuratore di prodotto MHz oscillante a cristallo di quarzo 1,6 x 1,2 mm / 4 pad
Configuratore di prodotto Oscillatore a cristallo da 32kHz 3,2 x 1,5 mm / 2-pad
Configuratore di prodotto Oscillatore a cristallo da 32kHz 2,0 x 1,2 mm / 2-pad
Configuratore di prodotto Oscillatore a cristallo da 32 kHz 1,6 x 1,0 mm / 2-pad
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LoRa® e LoRaWAN® sono marchi registrati di Semtech Corporation e LoRa Alliance®. Tutti gli altri marchi citati appartengono ai rispettivi proprietari.
Für LoRaWAN®-Applikationen werden in der Regel zwei unterschiedliche Quarze betrachtet: ein MHz-Funkquarz für den Transceiver und ein 32.768 kHz Uhrenquarz für die Real-Time-Clock. Ob der Funkquarz mit 26 MHz oder 32 MHz ausgelegt sein muss, hängt direkt vom verwendeten LoRa-Transceiver-IC ab. Die aktuelle Semtech-Generation wie SX126x, LLCC68 und LR11xx arbeitet mit 32 MHz, während ältere oder alternative Designs auch 26 MHz nutzen können. Zusätzlich wird häufig ein 32.768 kHz Quarz für die RTC des Mikrocontrollers eingesetzt, um Zeitfunktionen energieeffizient und stabil bereitzustellen. Entscheidend ist deshalb immer die genaue Abstimmung auf den eingesetzten Chip und dessen Referenzdesign.
Ein normaler Schwingquarz ist für viele Standard-LoRaWAN-Endgeräte vollkommen ausreichend, wenn der Temperaturbereich und die geforderte Frequenzstabilität im üblichen Rahmen liegen. Für Anwendungen von -20 °C bis +70 °C wird eine Temperaturstabilität von maximal ±10 ppm empfohlen, für -40 °C bis +85 °C sind maximal ±15 ppm in vielen Fällen ausreichend. Bei erweiterten Temperaturbereichen bis +105 °C oder +125 °C steigen die Anforderungen jedoch deutlich an. In solchen Fällen kann ein Quarz mit besonders enger Temperaturstabilität oder ein TCXO die bessere Wahl sein. Wichtig ist dabei, dass die LoRaWAN-Spezifikation selbst keinen TCXO zwingend vorschreibt, sondern die Entscheidung von der konkreten Applikation abhängt.
Der ESR, also der Serienwiderstand des Quarzes, ist bei LoRaWAN®-Applikationen ein zentraler Parameter für ein sicheres Anschwingen und einen stabilen Betrieb. Besonders bei Funkquarzen sollte der ESR deutlich unter dem zulässigen Maximalwert liegen, damit der Oszillator des Transceivers zuverlässig arbeitet. Für viele Anwendungen werden Werte von maximal 60 Ω genannt, wobei Werte von 40 Ω oder weniger besonders empfehlenswert sind. Auch beim 32.768 kHz Uhrenquarz ist ein niedriger ESR entscheidend, da viele Mikrocontroller nur einen begrenzten negativen Eingangswiderstand bereitstellen. Ist der ESR zu hoch, kann es zu Startproblemen oder instabilem Verhalten kommen, was Reichweite, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz des Endgeräts beeinträchtigt.
Die richtige Lastkapazität muss immer exakt zur Empfehlung des verwendeten ICs oder Mikrocontrollers passen. Bei LoRa-Transceivern sind typische Werte für den MHz-Quarz 6 pF, 8 pF, 9 pF, 10 pF oder 12 pF, wobei in vielen LoRaWAN-Applikationen 8 pF häufig verwendet werden. Für 32.768 kHz Uhrenquarze kommen oft 7 pF oder 9 pF zum Einsatz, daneben existieren auch Varianten mit 4 pF, 6 pF, 12.5 pF oder 18 pF. Eine falsche Lastkapazität verschiebt die Betriebsfrequenz und kann dazu führen, dass die zulässige Gesamtfrequenztoleranz überschritten wird. Gerade in LoRaWAN-Designs ist diese Fehlanpassung eine häufige Fehlerquelle und sollte deshalb frühzeitig vermieden werden.
Für viele LoRaWAN®-Endgeräte ist ein 32.768 kHz Uhrenquarz im 3.2 x 1.5 mm 2-Pad-Keramikgehäuse mit maximal 50 kΩ ESR eine besonders sichere und wirtschaftliche Lösung. Dieses Gehäuse bietet einen klaren ESR-Vorteil und unterstützt ein schnelles sowie zuverlässiges Anschwingen der RTC-Oszillatorstufe. Für die RTC-Funktion ist in den meisten Fällen eine Frequenztoleranz von ±20 ppm bei +25 °C ausreichend, während für LoRaWAN Class-B eine engere Toleranz von ±10 ppm vorteilhaft sein kann. Wenn auf der Leiterplatte wenig Platz vorhanden ist, ist es oft sinnvoller, den MHz-Quarz kleiner auszulegen und beim 32.768 kHz Quarz beim bewährten 3.2 x 1.5 mm Format zu bleiben. So lassen sich Platzbedarf, Kosten und Betriebssicherheit in vielen Designs optimal kombinieren.
PETERMANN-TECHNIK ist auf Quarze, Oszillatoren und frequenzerzeugende Bauelemente spezialisiert und kennt die Anforderungen moderner LoRaWAN®-Designs im Detail. Das Unternehmen unterstützt bei der Auswahl des passenden 26 MHz oder 32 MHz Funkquarzes ebenso wie beim optimalen 32.768 kHz Uhrenquarz für die RTC. Besonders bei kritischen Parametern wie ESR, Lastkapazität, Temperaturstabilität und Langzeitverhalten profitieren Entwickler von fundierter technischer Beratung. Durch Erfahrung mit Semtech-ICs und zahlreichen realisierten Applikationen kann PETERMANN-TECHNIK konkrete und praxisnahe Empfehlungen geben. Damit erhalten B2B-Kunden eine zuverlässige Grundlage für leistungsfähige, energieeffiziente und robuste LoRaWAN-Endgeräte.
