物联网应用中的石英晶体和石英振荡器R2016-16.000-9-1010-TR-NS1

几年来,“物联网”一词已经成为常用术语。作为“物联网”一部分的设备可以相互无线通信。这通常使用当前的标准来实现，如WiFi、蓝牙、Zigbee和5G。物联网也改变了对设备本身的要求。今天，每部智能手机都是其他设备的连接节点。智能家居应用和手腕上的智能手表只是众多例子中的两个。

然而，要使这一切顺利进行，每个组件都必须符合无线环境的要求。对于在许多电子应用中提供时钟信号的微小石英晶振和振荡器来说也是如此。那么问题来了:在物联网应用中使用石英晶体和振荡器需要考虑什么？

越来越小的产品需要越来越小的元件

因此，对无源元件外壳和规格的要求也在发生变化——它们也必须变得更小。这里也有优点；一方面，需要较少的原材料，这对环境有益。另一方面，减少了包装、运输和储存的费用。

然而，这种趋势面临的一个挑战是频率本身的物理限制。为了获得较低的振荡频率，显影过程从一块厚的石英开始，而较薄的晶体可以获得较高的频率。同时，表面积与厚度的比率不能低于某个值，否则电参数变得不利。相反，这意味着尺寸非常小时，不能有效地产生低频(即厚晶体)。这一限制主要影响石英晶体，而不是石英振荡器，因为后者包含一个IC，通常可以分频。因此，振荡器在频率方面有更广泛的可能性。此外，一些振荡器也可以实现明显更高的频率，因为IC可以成倍增加晶体的自然频率。

通常，石英晶体在所谓的“皮尔斯电路”中工作。基本电路元件的图示表明，它主要由两部分组成。

无线应用的最高频率精度

无线应用对石英晶体的主要要求自然是频率精度。电路通常被分配窄频带的无线电波长。为了防止来自其他频率的干扰，也为了能够在更长的范围内进行连接，将偏离标称频率的任何偏移保持在最小是很重要的。例如，在蓝牙中，最大允许频率偏差是百万分之40(ppm)。在任何情况下，在应用程序的整个生命周期中的任何时候都不能超过这个限制。为了确保这一点，开发者必须使用最坏情况计算来估计所有可能的影响，因此，特别是:

• 25°C时的公差
• 在预期温度范围内的稳定性
• 电路C不匹配导致的误差L
• 长期变化
• 负载电容容差引起的误差(= CL偏差)
• CLIC引脚电容容差加上PCB容差

为确保25°C时的频率合规性，规格中定义了每个石英元件的负载电容。负载电容是生产过程中石英晶体最精确匹配的电容。在这里，晶体被激发振荡，频率被测量，如果需要，银电极的质量通过蒸发沉积或腐蚀(通过离子轰击)来校正。

如果活动的CL在最终电路的匹配过程中，晶体将在室温下以其标称频率可靠地振荡。

对于开发者来说，这种匹配带来的问题是，他们通常不知道当前使用的晶体给测量带来了什么误差。不知道这一点，就不可能进行精确的匹配。如果匹配是在石英供应商的实验室中进行的，则通常是测量单个晶体带来的频率偏差，然后进行补偿。或者，希望自己进行精确匹配的开发人员可以从供应商处获得测量样本，以便补偿引入的误差。

无错误运行的正确电阻

因此，晶体必须很小，并且必须尽可能精确地运行。另一个因素是晶体的等效串联电阻(ESR)必须保持较低。ESR描述了谐振时石英晶体所代表的等效电路中的欧姆电阻。数据手册通常规定制造商承诺不超过的最大ESR。这个ESR最大直接影响电路的振荡安全系数(OSF ),因此应尽可能低。

然而，晶体越小，通常ESR越高最大。另一个规律:晶体越小，在不过载的情况下，它能接收的功率就越少。

在旧电路中使用现代石英类型:重新设计

电力问题导致了另一个不仅限于物联网应用的问题。如今，许多重新设计项目都面临着这样的问题，即由于早期产品的缺乏，较老和较大尺寸的石英组件正在停产。因此，开发者经常面临这样的问题，即必须重新设计过去发布的具有大晶体类型的电路，以便用更小的、当前可用的晶体来操作它。这里必须特别注意晶体的功率处理能力。在可能的情况下，应通过测量进行检查。一方面，这使得开发者能够确定晶体将在其谐波范围内工作，从而尽可能无损耗地符合约定的规格。另一方面，防止了石英晶体的过度老化，以及在最坏的情况下，由于过载而导致的故障。

哪些石英产品特别适合在物联网应用中使用？

原则上，石英晶体和石英振荡器都同样适用。两者都能够实现所需的频率稳定性。

在涉及大量应用的情况下，出于商业原因，通常选择石英晶体。然而，在开发阶段涉及许多任务，以确保结果是一个稳定的、可靠运行的产品。与此形成对比的是价格更高的振荡器，其制造商保证所有参数都符合要求。这个选项提供了最大的精度，加上高操作可靠性-所有这些相对较少的开发费用。

为了能够满足对精确石英钟信号的所有苛刻要求，人们开发了特殊的石英晶体系列，这些产品的电气参数经过特别优化，由于特殊的预处理，它们的长期老化程度特别低。

最后，应该提到的是音叉石英晶体(也称为时钟晶体)也经常使用，通常以32.768 K振荡。许多IC提供连接额外晶振作为备用时钟发生器的选项。这使得高频时钟有可能在应用的待机阶段停止工作，从而显著降低IC的功耗。与此同时，IC继续以32.768 KHz的频率部分运行，因此能够快速返回功耗模式。由于它们相对较高的温度敏感性，时钟晶体不被认为是用于无线应用的足够精确的时钟。然而，由于其功耗低得多，仅为几A，因此被认为是经常需要的待机模式的理想选择。除此之外，这些时钟晶体当然也适合所有传统的实时时钟应用。

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