El mercado mundial de cristales, osciladores y productos de temporización está muy fragmentado y asciende a unos seis mil millones de dólares. Hay muchos proveedores y una gran variedad de soluciones. Este informe ofrece información sobre los productos de tendencia más económica y puede servir de guía para nuevos desarrollos.
El mercado de la relojería inteligente se divide en tres subsegmentos: aproximadamente 1/3 está cubierto por el mercado del cristal, aproximadamente 1/3 por el mercado de los osciladores (osciladores de reloj) y aproximadamente 1/3 por el mercado de la temporización (por ejemplo, 32,768 kHz, TCxOs, OCxOs, diferencial). Desde hace más de 20 años, Petermann-Technik (PETERMANN-TECHNIK) está presente en el mercado como socio altamente especializado en componentes de determinación de frecuencia y, además de una amplia y profunda cartera de productos, ofrece un completo servicio de diseño con el objetivo de ofrecer al cliente todo de un mismo proveedor y permitir un tiempo de comercialización muy rápido.
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Imagen 1: Petermann-Technik ofrece una amplia gama de "Productos de frecuencia controlada" en combinación con servicios de ingeniería y logística[/caption]
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En los últimos años, se ha producido un importante cambio de los grandes cristales THT y SMD disponibles en carcasas metálicas (series HC-49/U, HC-49/US, HC-49/US-SMD) a los cristales SMD miniaturizados en carcasas cerámicas. La demanda de cristales oscilantes de mayor frecuencia en carcasas más pequeñas ha impulsado aún más esta tendencia. Actualmente, el cristal SMD
en carcasa cerámica de 3,2 mm x 2,5 mm/4 patillas (serie SMD03025/4), que está disponible en la gama de frecuencias de 8,0 a 64,0 MHz (AT fundamental), es el cristal SMD miniaturizado más solicitado y barato de todos. Con la serie SMD03025/4, Petermann-Technik ofrece soluciones adecuadas para cada aplicación (fig. 2). Estos cristales de resistencia optimizada ofrecen una respuesta transitoria óptima en los rangos de temperatura de funcionamiento definidos y, bajo pedido, pueden suministrarse con un nivel de accionamiento de hasta 500 µW (en el rango de frecuencias de 12 a 64 MHz).
Existen soluciones para temperaturas de hasta -55 a +125 °C. Normalmente, los cristales de cuarzo no pueden procesarse por ultrasonidos. Otra especialidad de la gama de productos de cristales SMD de 3,2 mm x 2,5
mm/4 patillas son los
cristales de 3,2 mm x 2,5 mm/4 patillas de la serie SMD03025/4US, que se han desarrollado especialmente para la soldadura por ultrasonidos.
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Imagen 2: Las reducciones de precio de los cristales SMD en carcasas cerámicas forzaron el cambio de los grandes cristales THT y SMD alojados en metal. El cuarzo de 3,2 mm × 2,5 mm, serie SMD03025/4, es el único cuarzo del mundo que puede utilizarse en productos finales sellados por ultrasonidos[/caption].
En los últimos años, el encapsulado de 2,5 mm x 2,0 mm/4 almohadillas se ha desarrollado en paralelo al SMD03025/4, pero nunca ha llegado a imponerse. Aquellos que consideren que la carcasa de 3,2 mm x 2,5 mm/4 pastillas es demasiado grande pueden recurrir a la
carcasa de 2,0 mm x 1,6 mm/4 pastillas de la serie SMD02016/4. La carcasa de 2,0 mm x 1,6 mm/4 patillas se considera la nueva tendencia para aplicaciones muy pequeñas y su demanda va en aumento, por lo que los precios de los cristales en esta carcasa ya han bajado. Incluso en la carcasa de 2,0 mm x 1,6 mm/4 patillas, los diseños de cristal con resistencia optimizada están concebidos para una respuesta transitoria óptima. El desarrollador puede elegir entre versiones con un nivel de accionamiento de hasta 400 µW.
Para los cristales de 32,768 kHz también se demandan carcasas cada vez más pequeñas (Fig. 3). La versión más pequeña, con unas dimensiones de 1,2 mm x 1,0 mm, está a punto de salir al mercado. Actualmente también hay una fuerte demanda de
cristales de
32,768 kHz en carcasas de 3,2 mm x 1,5 mm (serie M3215) y
2,0 mm x 1,2 mm (serie M2012) con resistencia reducida . Los cristales de 32,768 kHz de resistencia reducida, al igual que las versiones estándar, están disponibles con capacidades de carga de 4 a 12,5 pF en la gama de temperaturas de -40 a +125 °C. Muchas versiones pueden suministrarse desde almacén o en plazos de entrega cortos. El desarrollador puede elegir entre dos tolerancias de frecuencia a +25 °C: ±10 ppm (opcional) o ±20 ppm (estándar).
La gama de productos de osciladores también está en auge en Petermann-Technik, especialmente la gama de
osciladores de silicio. Los desarrolladores exigen cada vez más soluciones muy pequeñas, extremadamente duraderas y de alta precisión en rangos de temperatura cada vez más altos. Los cristales de cuarzo ya no pueden cumplir estos requisitos por razones tecnológicas. Para conectar el cuarzo se necesitan dos condensadores externos que ocupan espacio en la placa de circuito impreso. Por otra parte, la resistencia aumenta con carcasas cada vez más pequeñas, lo que reduce el tiempo de asentamiento. Además, la tolerancia de frecuencia más pequeña para los cristales de MHz es de +25 °C ±10 ppm, y las estabilidades de temperatura son de ±10 ppm de -20 a +70 °C, ±15 ppm de -40 a +85 °C, ±30 ppm de -40 a +105 °C y ±50 ppm de -40 a +125 °C. Según la versión, el envejecimiento máximo del cuarzo es de ±10 ppm al cabo de diez años. Un oscilador de reloj de silicio estándar disponible en stock en una carcasa de 2,0 mm × 1,6 mm/4 patillas, por ejemplo, tiene una estabilidad de frecuencia de ±20 ppm a -40 a +85 °C (esto incluye la tolerancia de frecuencia a +25 °C, la estabilidad de temperatura por encima de -40 a +85 °C, el envejecimiento después del primer año y los cambios de frecuencia causados por las tolerancias de
VDDy carga) con un envejecimiento de ±3 ppm después de diez años.
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Imagen 3: Los cristales de 32.768 kHz están disponibles en stock en una amplia variedad de carcasas, incluidas versiones de baja resistencia para aplicaciones industriales y de automoción[/caption]
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Hay disponibles versiones de osciladores de silicio estándar dedicados de ±10 ppm a -40 a +85 °C, o de ±20 ppm a -55 a +125 °C con un jitter muy bajo. Los osciladores también pueden controlar cargas de hasta 15 pF, de modo que un oscilador puede sincronizar simultáneamente varios circuitos integrados con la misma frecuencia (Fig. 4).
Además de los osciladores
de cuarzo(xO,
TCxO,
VC-TCxO,
VCxO,
OCxO), la gama también incluye osciladores de silicio. Los osciladores de silicio son semiconductores y utilizan un resonador de microsilicio con muy baja
baja energía de oscilación para generar el reloj. Como resultado, y basándose en la tecnología de circuitos integrados CMOS analógicos, no sólo pueden fabricarse versiones muy pequeñas, sino que el rendimiento de estos osciladores de silicio de bajo coste también es muy bueno. El MTBF es de 1140 millones de horas (FIT 0,88) y es el mejor del sector. En comparación con los osciladores de cuarzo, los osciladores de silicio son 30 veces menos sensibles a golpes y vibraciones y 54 veces menos sensibles a campos electromagnéticos externos.
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Imagen 4: La gama de productos de Petermann-Technik incluye todos los osciladores de cuarzo posibles[/caption]
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Además, el envejecimiento es diez veces menor. Dependiendo del diseño, los osciladores de silicio pueden alimentarse con una pila de botón durante diez años, por ejemplo. Los innovadores osciladores de silicio son dispositivos de reloj inteligentes y compatibles pin a pin con osciladores de cuarzo y MEMS.
Para nuevos desarrollos y como sustitución de osciladores de cuarzo y MEMS, los osciladores de silicio SMD son la mejor y más duradera elección. Los especialistas de Petermann-Technik también pueden mostrar cómo se pueden ahorrar múltiples costes dimensionando el oscilador en consecuencia. La gama de productos de osciladores de silicio incluye
osciladores de potencia ultrabaja (kHz + MHz),
osciladores de reloj de baja potencia,
osciladores de alto rendimiento,
osciladores diferenciales,
osciladores de espectro ensanchado, TC y VCTCxO,
osciladores de alta temperatura (actualmente se están probando versiones de hasta +155 °C), osciladores de alta precisión (serie Splendid) y
osciladores de automoción (AECQ100).OSCILADORES DE RELOJ DE SILICIO DE BAJO CONSUMO
El subsegmento de
osciladores de silicio de baja potencia incluye versiones optimizadas para jitter en la gama de frecuencias de 1,0 a 137,0 MHz con estabilidades de temperatura de ±20 ppm a -40 a +85 °C (serie LPO), de ±20 ppm, -40 a +105 °C hasta -55 a +125 °C (serie HTLPO) y
osciladores de
automoción AEC100 de las series LPO-AUT (-40 a +85 °C) y HTLPO-AUT (-40 a +105 °C y -55 a 125 °C). El MTBF es de 1140 millones de horas. La innovadora tecnología de circuitos integrados CMOS de estos osciladores permite, por ejemplo, mejorar notablemente el comportamiento CEM de las versiones correspondientes mediante la denominada función de nivel suave. Con una ampliación del tiempo de subida/caída de hasta el 45%, la atenuación CEM en el armónico 11 supera los -60 dB. Un valor enorme para un ajuste tan sencillo de
trise y
tfall que es gratuito para el cliente.
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Imagen 5: Los osciladores de silicio basados en semiconductores son muy baratos, variables y extremadamente duraderos. Están sustituyendo a los cristales de cuarzo y a los osciladores de cuarzo en cada vez más aplicaciones[/caption].
Aunque los osciladores de
silicio de baja potencia están disponibles en varias carcasas estándar que van de 2,0 × 1,6 mm a 7,0 × 5,0 mm, para nuevos desarrollos se ofrece al diseñador de aplicaciones la correspondiente versión del oscilador en una carcasa de 2,0 mm × 1,6 mm o de 2,5 mm × 2,0 mm como máximo, con el amplísimo rango de tensión de alimentación de 2,25 a 3,63
V CC (-xx- en la designación del artículo), la estabilidad de frecuencia de ±20 ppm a -40 a +85 °C, ±30 ppm a -40 a +105 °C, ±30 ppm a -40/+125 °C y ±50 ppm a -55 a +125 °C, con su frecuencia deseada. La función del pin 1 es stand-by. Aunque la función stand-by no sea absolutamente necesaria. La razón: el esfuerzo de cableado del pin 1 es muy bajo en relación con el posible ahorro de precio. Normalmente, los osciladores con la función stand-by están disponibles en grandes cantidades, por lo que se pueden suministrar a muy corto plazo y a un precio favorable. Los osciladores sin la función stand-by en el pin 1 suelen fabricarse bajo pedido en la cantidad requerida, lo que normalmente es bastante más caro. Si no se dispone de cantidades en stock del oscilador deseado, el plazo de entrega estándar, incluso para productos personalizados, es de cuatro a un máximo de seis semanas (Fig. 5).
OSCILADORES DE SILICIO DE ALTO RENDIMIENTO
Los
osciladores de alto rendimiento disponibles en la gama de frecuencias de 1,0 a 220 MHz también disponen de la función de nivel suave ya descrita. Los circuitos integrados CMOS permiten un jitter reducido de 0,5 ps en el ancho de banda de integración de 12 kHz a 20 MHz, por lo que estos osciladores pueden utilizarse en todas las aplicaciones en las que el jitter es un factor crítico. Los
osciladores de silicio de altas prestaciones están disponibles con estabilidades de frecuencia de hasta ±10 ppm entre -40 y +85 °C. El envejecimiento es de ±5 ppm al cabo de diez años.
OSCILADORES DIFERENCIALES DE SILICIO
Normalmente, los
osciladores diferenciales disponibles en la gama de frecuencias de 1,0 a 725 MHz ya no se utilizan exclusivamente en aplicaciones de telecomunicaciones, redes, vídeo, almacenamiento y servidores, sino que también se emplean cada vez más en aplicaciones de automoción (AECQ100). Los osciladores diferenciales ofrecen señales de salida LVPEC, LVDS o HCSL con un jitter típico de 0,23 ps (156,25 MHz a 12 kHz - 20 MHz). Las estabilidades de frecuencia disponibles van de ±10 ppm a -40 a +85 °C, o de ±25 ppm a -40 a +105 °C para las versiones de automoción.
Los osciladores diferenciales de silicio están disponibles en encapsulados estándar de seis patillas con dimensiones de 3,2 × 2,5 mm, 5,0 × 3,2 mm y 7,0 × 5,0 mm, con tensiones de alimentación de 2,25 a 3,63
VCC.
TCXOS Y VC-TCXOS
Si el desarrollador no necesita rangos de tensión de control de frecuencia extremadamente grandes, de hasta 1600 ppm, los
TCxOs y
VC-TCxOs basados en cristal en el rango de frecuencia de 9,6 a 60 MHz siguen siendo la mejor y más favorable elección. Disponibles en carcasas cerámicas con dimensiones de 3,2 mm × 2,0 mm, 2,5 mm × 2,0 mm, 2,0 mm × 1,6 mm o incluso 1,6 mm × 12 mm, estos osciladores de alta precisión tienen una estabilidad de temperatura estándar de ±0,5 ppm entre -40 y +85 °C y un envejecimiento de ±1,0 ppm después del primer año. El rango de tensión de alimentación es de 1,6 a 3,63
V CC. El encapsulado cerámico de 2,5 mm × 2,0 mm es el más favorable y se recomienda su uso en nuevos desarrollos, a menos que se necesite un encapsulado más pequeño.
OSCILADORES DE POTENCIA ULTRABAJA DE 32,768 KHZ
El ahorro de energía y la comunicación de datos o posicionamiento muy rápidos tras el modo de reposo sólo son posibles con un reloj de sistema de 32,768 kHz de alta precisión y rapidez. Con un oscilador
de silicio de 32,768 kHz, una solución a pilas basada en la tecnología de hibernación puede ahorrar más del 50% de energía. Una pila de botón, por ejemplo, puede suministrar energía durante diez años a una aplicación que funcione con un
oscilador de ultrabajo consumo de 32,768 kHz.
Muchos productos finales utilizan la tecnología de hibernación, como los wearables, las unidades de comunicación Bluetooth Low Energy (BLE) para aplicaciones comerciales, industriales y de automoción, las aplicaciones IoT, el GPS (comercial y de automoción), la comunicación M2M, los rastreadores personales y los sistemas de monitorización de pacientes médicos, la medición inteligente, la domótica, la tecnología inalámbrica, etcétera. En estas aplicaciones, la mayor parte de la energía se consume en el modo de sincronización, que consume mucha energía y que muy a menudo tiene que llevarse a cabo dentro de ventanas de tiempo definidas. En estas aplicaciones, normalmente se utilizan dos
cristales de 32,768 kHz para sincronizar el
RTC del chip BLE y un µC, además de un
cristal de MHz de alta precisión para la radio. Debido a su tecnología, un cristal de 32,768 kHz tiene un comportamiento muy pobre a la temperatura y la frecuencia se distorsiona inmediatamente por la capacitancia parásita o el cambio de las relaciones de capacitancia en el circuito, lo que significa que la deriva de frecuencia de un 32,768 kHz es muy alta. Esto significa que la sincronización debe realizarse muy a menudo, lo que consume mucha energía.
Al utilizar
osciladores de 32,768 kHz de potencia ultrabaja (series ULPO-RB1, ULPO-RB2 y ULPPO), esto ya no es así, ya que los osciladores de 32,768 kHz de potencia ultrabaja, disponibles a partir de una estabilidad de temperatura de ±5 ppm en el rango de -40 a +85 °C, permiten sincronizar la aplicación con mucha menos frecuencia (ampliación significativa del tiempo de hibernación), lo que ahorra más del 50% de la energía del sistema. También se puede reducir el tamaño de la placa, ya que un oscilador de 32,768 kHz de 1,5 mm × 0,8 mm puede hacer frente al RTC y al µC simultáneamente y es un 85 por ciento más pequeño en comparación con un cristal de 32,768 kHz de 2,0 mm × 1,2 mm con capacitancias de circuito externas.
Los
osciladores de potencia ultrabaja de
32,768 kHz disponibles en
la gama VDD de 1,5 a 3,63
VCC tienen un consumo de corriente inferior a 1 µA, según la versión, y también permiten una oscilación muy rápida y fiable de los circuitos integrados que se van a sincronizar.
Encontrará más información en:
Osciladores de cristalOsciladores de cuarzoOsciladores de silicioSoluciones de 32,768 kHz
o
Cristales de cuarzo SMD y THT, osciladores y productos de temporización
Preguntas técnicas:
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