Worauf Sie bei Real-Time-Clock- Anwendungen achten sollten

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Integrierter Verstärker bestimmt Anschwingreserve

Die Anschwingreserve von Oszillatorschaltungen - auch negative resistance genannt - wird hauptsächlich vom Leistungsvermögen des integrierten Verstärkers bestimmt. Diese wiederum wird aber durch den Einsatz größerer Lastkapazitäten automatisch verringert. Erschwerend dabei ist, dass dieser Zusammenhang in den Oszillatorspezifikationen der RTC-ICs oder -MCUs kaum jemals korrekt dokumentiert wird. Hier steht der Entwickler in der Verantwortung um die Anschwingreserve der Oszillatorschaltung messtechnisch zu bestimmen, denn davon hängt ab, welchen maximalen Quarzwiderstand eine Oszillatorschaltung sicher über den gewünschten Temperaturbereich zu betreiben in der Lage ist. Wer sich bereits einmal mit derartigen Problemen konfrontiert sah, wird sich bestimmt an die oberste Designregel für Oszillatorschaltungen erinnern, die da lautet „Safety first!“.

Layout der gedruckten Schaltung oft vernachlässigt

Oft vernachlässigt wird das Layout der gedruckten Schaltung – obwohl es im Zusammenhang mit Oszillatorschaltungen wichtig ist. Man muss sich vor Augen führen, dass die Oszillatorschaltung den Schwingquarz mit maximal 1 μW betreiben sollte. Spezielle verbrauchsoptimierte Oszillatorschaltungen betreiben diese Quarze sogar mit nur knapp

10 nW mit daraus resultierend minimalen Signalpegeln von nur 150 mV_pkpk. Derart kleine Signalpegel und die daraus resultierenden kleinen Ströme, machen diese Oszillatorschaltung besonders sensibel auf äußere Störeinflüsse, wie sie von digitalen Signalen oder Taktleitungen verursacht werden können. Spezielle Ultra-low-Power-Oszillatorschaltungen verzeihen keine Fehler oder Kompromisse im PCB-Layout. Grundsätzlich sollte der Quarz möglichst nahe am IC platziert werden, digitale Signale möglichst außen vorbei führen und, wo möglich, eine Massefläche zur Abschirmung von Störsignalen vorgesehen werden.

Temperaturkompensierte Systeme sind genauer

Immer mehr Anwendungen haben erhöhte Anforderungen an die Ganggenauigkeit von Echtzeituhren die sich nur durch eine Kompensation des Temperaturverhaltens des Quarzes erreichen lässt. Teilweise sind das Vorgaben des Marketings, wo man versucht sich mit der genaueren Uhrzeit vom Mitbewerber abzugrenzen. Immer öfter hat diese Anforderung aber auch technische Hintergründe. Wenn zum Beispiel aufgrund der höheren Genauigkeit ein Zeitfenster für eine Funkverbindung minimiert werden kann, geht dies direkt zu Gunsten des Stromverbrauchs und einer längeren Batterielebensdauer. Es gibt Lösungsansätze, die über einen Temperatursensor die Umgebungstemperatur messen, anschließend per Software den erwartenden Frequenzdrift des Quarzes berechnen und die erwartete Zeitabweichung rechnerisch korrigieren.

Bild 5 zeigt die Methode der Temperaturkompensation per Software mit den entsprechenden Parametern, die korrigiert werden müssen. Die schwarze Kurve zeigt den zu erwarteten Frequenzdrift des Quarzes über Temperatur, die rote Kurve den berechneten Korrekturwert. Um damit überhaupt einen positiven Effekt zu erzielen, muss zumindest die Frequenzabweichung bei 25 °C XTAL Offset für jede Uhr einzeln ausgemessen und der entsprechende Korrekturwert individuell programmiert werden. Dies verursacht in einer Massenfertigung allerdings bereits einen erheblichen Aufwand und Kosten.

Höhere Ganggenauigkeit dank präziser Korrekturparameter

Um die bestmögliche Genauigkeit zu erzielen, bedarf es sehr präziser Korrekturparameter. Die Parameter XTAL T0, XTAL Temp coeff. und der Fehler des Thermometers müssen dafür über den gesamten Temperaturbereich präzise ermittelt und individuell korrigiert werden. Es ist dieser enorme Aufwand und die damit verbundenen immensen Kosten die dazu führen, dass Anwender kaum je eine zufriedenstellende Temperaturkompensation mit diskreten Bauteilen mittels Software realisiert haben.

Bei Anwendungen die eine erhöhte Ganggenauigkeit über den Temperaturbereich erfordern, bieten die im Markt verfügbaren Echtzeituhrenmodule mit eingebauter Temperaturkompensation deutliche Vorteile. Diese RTC-Module werden vom Hersteller über den Temperaturbereich kalibriert und individuell korrigiert. Dabei sind dieselben Bauteile mit unterschiedlichen Gangabweichungen erhältlich, wobei der Aufwand für die Kalibrierung über den Temperaturbereich sich direkt im Preis für das Bauteil widerspiegelt. Solche Produkte sollten nie überspezifiziert werden, da sich dies direkt auf den Preis auswirkt.

Oszillator, Quarz und RTC-Schaltung in einem Gehäuse

Als RTC-Module bezeichnet man Produkte, die alle benötigten Komponenten wie die Oszillatorschaltung, den 32,768-kHz-Quarz und die RTC-Schaltung in einem Gehäuse vereinen. Zwar liegen die Kosten etwas oberhalb von Lösungen mit Einzelkomponenten, solche RTC-Module bieten aber technisch deutliche Vorteile und erlauben herausragende Performance bezüglich Ganggenauigkeit, Größe und Stromverbrauch. Die Schaltungsentwicklung wird deutlich vereinfacht und beschleunigt, da die oben erläuterte Schaltungsoptimierung und die Überprüfung der Anschwingsicherheit entfällt. Die Spezifikation dieser Produkte zeigt direkt, was später in der Anwendung erwartet werden kann. Da der Quarz in demselben Gehäuse mit integriert wird, entfällt die Layout-Problematik und die Immunität gegenüber äußeren Störeinflüssen wird deutlich verbessert. Ganz ausgeprägt sind die technischen- und Kostenvorteile bei temperaturkompensierten RTCs.

Von Micro Crystal ist eine ganze Familie unterschiedlicher RTC-Module in kompakten und robusten Keramikgehäusen verfügbar (siehe Kasten).

* * Roland Häni ist Senior Application Engineer bei Micro Crystal in Grenchen, Schweiz,

* Gerd Reinhold ist Mitarbeiter im Produktmarketing FCP bei WDI in Wedel, Deutschland.

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