Uso de osciladores de cristal multivoltios en aplicaciones automotrices para una sincronización estable bajo condiciones de alimentación variables

El oscilador de cristal de cuarzo, que aprovecha el efecto piezoeléctrico, ha recorrido un largo camino desde su desarrollo en los años 30. El uso de este elemento determinante de frecuencia pronto sustituyó la sintonización de radio basada en un circuito de "tanque" inductor-condensador (LC). En aquellos tiempos, los cristales se molían a mano, se montaban en un soporte y luego se comparaban con un estándar usando cifras de Lissajous en un osciloscopio rudimentario (los contadores de frecuencia tal y como los conocemos no existían).

Los cristales actuales y sus osciladores son mucho más pequeños, precisos, de mayor frecuencia y se fabrican mediante un proceso altamente automatizado. Su papel se ha ampliado mucho más allá de seleccionar y ajustar una señal deseada en el espectro inalámbrico, para incluir una sincronización y temporización de precisión para circuitos, sistemas y redes.

Ahora hay cristales disponibles para muchas frecuencias comúnmente usadas, que van desde menos de 1 hasta más de 100 megahercios (MHz). Es una pena para los veteranos y amantes de la nostalgia pero el clásico estándar de televisión analógica EIA/NTSC fue oficialmente descontinuado en 2009. Como resultado, el omnipresente cristal de 3,579545 MHz (a menudo denominado 3,58 MHz) que se usaba para codificar y decodificar la información de color en esas señales de televisión es ahora solo una pieza de museo.

Los osciladores de cristal modernos suelen suministrarse como un paquete completo, que comprende un circuito oscilador y el elemento cristalino. También hay muchas situaciones en las que se prefiere solo el cristal cerrado, junto con un circuito oscilador independiente.

Los osciladores de cristal para el mercado masivo han avanzado mucho desde su uso singular en radios y televisores en las décadas de 1950 y 1960. Los vehículos de esa época no tenían "electrónica" salvo la radio, que adoptó la sintonización basada en cristal tan pronto como estuvo disponible, además de fiable y rentable.

En marcado contraste, los vehículos actuales cuentan con más de 100 procesadores que van desde microcontroladores dedicados (MCU) hasta procesadores de aplicaciones de alto rendimiento y controladores de comunicaciones. Estos procesadores soportan funciones que incluyen sensores, seguridad, entretenimiento, conectividad y conducción manos libres, muchas de las cuales a menudo se resumen como ADAS (Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor) (Figura 1).

Figura 1: El uso de electrónica avanzada en funciones centrales del tren motriz, así como de las funciones ADAS en los vehículos actuales, supera lo que se imaginaba hace solo unas décadas, y aún queda más por venir. (Fuente de la imagen: ECS)

Cada una de estas funciones requiere que osciladores de cristal proporcionen señales de reloj para procesadores, controladores, dispositivos de comunicación y circuitos relacionados. Algunos de estos necesitarán cristales simples y de menor rendimiento, pero muchos otros requerirán relojes de baja vibración y alta estabilidad. Para funciones como vehículo a vehículo (V2V) y interconexiones vehiculares relacionadas, se requerirán niveles aún mayores de rendimiento temporal.

Independientemente de la función del cristal, los osciladores para automóviles deben cumplir con el riguroso estándar AEC-Q200 para componentes electrónicos automotrices. Este estándar abarca mucho más que un rendimiento fiable básico a pesar de la temperatura, vibraciones y impactos. También exige pruebas que cubran sistemas eléctricos y mecánicos, tensión térmica, resistencia a la humedad y a disolventes, integridad conector/electrodos y soldadura en producción.

Para cumplir con estos requisitos, ECS Inc. International desarrolló la serie de osciladores de cristal multivoltios ECS-2520MVQ AEC-Q200 SMD, casi todos en un paquete cerámico ultrapequeño de cuatro almohadillas que mide solo 2,5 × 2,0 × 0,8 milímetros (mm).

Sin embargo, el tamaño reducido es solo una de las cualidades de esta serie. Los osciladores se ofrecen en un rango de frecuencias de 1 MHz a 160 MHz (con una unidad especial de 1 kilohertz (kHz)), estabilidad estándar de ±50 partes por millón (ppm) con opciones adicionales de estabilidad de ±20 ppm, ±25 ppm y ±100 ppm, y rangos de temperatura de -20 a 70°C, -40 a 85°C, -40 a 105°C, y de -40 a +125°C.

Como resultado, los usuarios pueden elegir un dispositivo que cumpla con las especificaciones de rendimiento requeridas.

¿Y qué pasa con la tensión de alimentación?

Los osciladores de cristal ECS-2520MVQ SMD MultiVoltios son compatibles con voltajes estáticos (nominales) de 1,8, 2,0, 3,0 y 3,3 voltios, pero eso es solo una parte de su historia de voltaje de alimentación. Su diseño "MultiVolt" ofrece una característica que los diferencia y ofrece a los diseñadores una flexibilidad adicional.

¿Cómo puede ser? Estos dispositivos utilizan un ASIC de última generación, de pequeño formato y alto rendimiento. La etapa oscilador-circuito utiliza un regulador lineal de tensión de baja corriente, reduciendo significativamente el consumo de corriente en comparación con los diseños tradicionales de osciladores.

Además, esta regulación interna permite que los osciladores MultiVoltios funcionen en un amplio rango, incluyendo una batería deteriorada y una fuente fija tradicional. Esta característica elimina en gran medida la dependencia del rendimiento de la tensión de alimentación, una característica tradicionalmente perjudicial de los osciladores.

Como resultado del regulador interno, los dispositivos pueden funcionar a través de una fuente de alimentación de 1,7 a 3,6 voltios, que es más ancha que sus voltajes estáticos. Al mismo tiempo, la corriente de funcionamiento sin carga es baja, oscilando entre 8 miliamperios (mA) en frecuencias bajas y 20 mA como máximo.

Dos ejemplos, el ECS-327ATQMV-AS-TR (Figura 2, izquierda) y el ECS-2520MVQ-1250-BN-TR, ilustran la amplia gama de opciones de osciladores. El ECS-327ATQMV-AS-TR es un dispositivo de montaje superficial (SMD) en miniatura de 32,768 kHz, con certificación AEC-Q200, oscilador HCMOS que opera entre 1,62 y 3,63 voltios. El encapsulado cerámico de cuatro cables de 3,2 × 2,5 × 0,9 mm (más grande que los otros de la familia) tiene solo cuatro conexiones de almohadilla: alimentación (V_dd), tierra, salida y control en modo de salida tri-estado (Figura 2, derecha). Es muy adecuado para aplicaciones automotrices, así como para aplicaciones portátiles, industriales y de Internet de las Cosas (IoT) de bajo consumo.

Figura 2: El ECS-327ATQMV-AS-TR (izquierda) está alojado en un paquete cerámico de 3,2 × 2,5 × 0,9 mm con solo cuatro conexiones de almohadillas: alimentación, tierra, salida y control de salida triestado (derecha). (Fuente de la imagen: ECS)

La salida CMOS del ECS-327ATQMV-AS-TR puede alimentar cargas de hasta 15 picofaradios (pF) a un ciclo de trabajo del 50%. Solo requiere 0,2 mA en estado activo, y el usuario puede activar un modo triestado de baja potencia a través de su almohadilla de conexión #1, reduciendo la corriente a solo 20 microamperios (μA).

¿Por qué la necesidad de esa "extraña" frecuencia de 32,768 kHz? Proporciona funciones de reloj a la hora del día porque dividir esa frecuencia por 2¹⁵, una operación de hardware trivial, produce pulsos a una velocidad de 1 segundo(s).

Por su parte, el ECS-2520MVQ-1250-BN-TR es un dispositivo SMD en miniatura de 125 MHz, lo que lo sitúa ligeramente más de tres órdenes de magnitud por encima del oscilador de 32,768 kHz. También cuenta con capacidad MultiVoltios en una fuente de alimentación de 1,6 a 3,6 voltios. Alojado en un paquete cerámico de 2,5 × 2,0 × 0,8 mm, igual que todos los demás miembros de la serie, excepto el ECS-327ATQMV-AS-TR, este dispositivo presenta una fluctuación de 1 picosegundo (ps) de 12 kHz a 20 MHz. La corriente de entrada es de 20 mA y la capacidad nominal de salida es de 15 pF. La estabilidad en frecuencia es ±50 ppm, de -40 a 85°C.

Conclusión:

Los diseñadores de electrónica automotriz necesitan fuentes de frecuencia consistentes, precisas y fiables. Los osciladores de cristal calificados con AEC-Q200 de la serie ECS-2520MVQ de ECS cumplen estos requisitos con la ventaja añadida de paquetes pequeños. Incorporan la característica MultiVoltio, de modo que el rendimiento no se degrada cuando la tensión de alimentación se desvía del valor nominal, reduciendo así la incertidumbre respecto al presupuesto de error de diseño.

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1: Comprender los parámetros del oscilador de cristal para optimizar la selección de componentes
https://www.digikey.com/en/articles/understand-crystal-oscillator-parameters-to-optimize-component-selection