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.
Per le applicazioni LoRaWAN® si considerano solitamente due diversi cristalli: un cristallo radio a MHz per il ricetrasmettitore e un cristallo di clock a 32,768 kHz per il clock in tempo reale. Il fatto che il cristallo radio debba essere progettato con 26 MHz o 32 MHz dipende direttamente dal circuito integrato del ricetrasmettitore LoRa utilizzato. L'attuale generazione Semtech, come SX126x, LLCC68 e LR11xx, funziona a 32 MHz, mentre i progetti più vecchi o alternativi possono utilizzare anche 26 MHz. Inoltre, per l'RTC del microcontrollore viene spesso utilizzato un cristallo da 32,768 kHz per fornire funzioni temporali in modo stabile ed efficiente dal punto di vista energetico. Per questo motivo è sempre fondamentale che il chip utilizzato e il suo progetto di riferimento corrispondano esattamente.
Un normale oscillatore a cristallo è perfettamente adeguato per molti dispositivi finali LoRaWAN standard, se l'intervallo di temperatura e la stabilità di frequenza richiesta rientrano nell'intervallo abituale. Per applicazioni da -20 °C a +70 °C, si raccomanda una stabilità di temperatura massima di ±10 ppm; per applicazioni da -40 °C a +85 °C, in molti casi è sufficiente un massimo di ±15 ppm. Per intervalli di temperatura più estesi, fino a +105 °C o +125 °C, tuttavia, i requisiti aumentano notevolmente. In questi casi, la scelta migliore può essere un cristallo con una stabilità termica particolarmente elevata o un TCXO. È importante notare che la stessa specifica LoRaWAN non prescrive un TCXO, ma che la decisione dipende dall'applicazione specifica.
L'ESR, ovvero la resistenza in serie del cristallo, è un parametro fondamentale per un'oscillazione affidabile e un funzionamento stabile nelle applicazioni LoRaWAN®. In particolare, per i cristalli radio, la VES deve essere ben al di sotto del valore massimo consentito per garantire un funzionamento affidabile dell'oscillatore del ricetrasmettitore. Per molte applicazioni sono previsti valori massimi di 60 Ω, mentre sono particolarmente consigliati valori di 40 Ω o inferiori. Una bassa ESR è fondamentale anche per il cristallo di clock a 32,768 kHz, poiché molti microcontrollori forniscono solo una resistenza di ingresso negativa limitata. Una ESR troppo alta può causare problemi di avviamento o un comportamento instabile, che si ripercuote sulla portata, l'affidabilità e l'efficienza energetica del dispositivo finale.
La capacità di carico corretta deve sempre corrispondere esattamente alle raccomandazioni del circuito integrato o del microcontrollore utilizzato. Per i ricetrasmettitori LoRa, i valori tipici per il cristallo a MHz sono 6 pF, 8 pF, 9 pF, 10 pF o 12 pF, di cui 8 pF sono spesso utilizzati in molte applicazioni LoRaWAN. Per i cristalli di clock a 32,768 kHz si utilizzano spesso 7 pF o 9 pF, ma esistono anche varianti con 4 pF, 6 pF, 12,5 pF o 18 pF. Una capacità di carico errata sposta la frequenza operativa e può portare al superamento della tolleranza di frequenza totale consentita. Soprattutto nei progetti LoRaWAN, questo disallineamento è una fonte frequente di errore e deve quindi essere evitato in fase iniziale.
Per molti dispositivi finali LoRaWAN® , un cristallo di clock da 32.768 kHz in un alloggiamento ceramico a 2 pad da 3,2 x 1,5 mm con una ESR massima di 50 kΩ è una soluzione particolarmente sicura ed economica. Questo alloggiamento offre un chiaro vantaggio in termini di ESR e supporta un'oscillazione rapida e affidabile dello stadio oscillatore RTC. Per la funzione RTC, una tolleranza di frequenza di ±20 ppm a +25 °C è sufficiente nella maggior parte dei casi, mentre una tolleranza più stretta di ±10 ppm può essere vantaggiosa per LoRaWAN Class-B. Se lo spazio disponibile sul PCB è ridotto, spesso è più sensato progettare il cristallo a MHz più piccolo e attenersi al formato collaudato di 3,2 x 1,5 mm per il cristallo a 32,768 kHz. In questo modo, i requisiti di spazio, i costi e l'affidabilità operativa possono essere combinati in modo ottimale in molti progetti.
PETERMANN-TECHNIK è specializzata in cristalli, oscillatori e componenti di generazione di frequenza e conosce in dettaglio i requisiti dei moderni progetti LoRaWAN®. L'azienda fornisce assistenza nella scelta del cristallo radio da 26 MHz o 32 MHz e del cristallo di clock ottimale da 32,768 kHz per l'RTC. Gli sviluppatori beneficiano di una solida consulenza tecnica, soprattutto quando si tratta di parametri critici come ESR, capacità di carico, stabilità in temperatura e comportamento a lungo termine. Grazie alla sua esperienza con i circuiti integrati Semtech e alle numerose applicazioni realizzate, PETERMANN-TECHNIK è in grado di fornire raccomandazioni specifiche e pratiche. Ciò fornisce ai clienti B2B una base affidabile per dispositivi finali LoRaWAN ad alte prestazioni, efficienti dal punto di vista energetico e robusti.
