Leksykon technologii Petermann

Optymalne dostrojenie kryształów do układów scalonych

Praktyczny przewodnik dla twórców elektroniki

Aby oscylator kwarcowy (oscylujący kryształ w stopniu oscylatora układu scalonego) oscylował stabilnie, precyzyjnie i niezawodnie, zastosowany kryształ musi być optymalnie dopasowany do wymagań danego układu scalonego.

Decydującymi czynnikami są tutaj pojemności obciążenia, warunki przejściowe, poziom wysterowania (prąd kwarcu) i czynniki związane z układem na płytce drukowanej.

Ten artykuł wyjaśnia w zwięzły i praktyczny sposób, jak prawidłowo dostroić generator zegara kwarcowego i jakie błędy występują szczególnie często w praktyce.

A. Dlaczego kryształy i układy scalone muszą być dostrajane?

Kryształy są komponentami określającymi częstotliwość, których dokładność jest wysoce zależna od ich środowiska elektrycznego. Producenci mikrokontrolerów zazwyczaj określają

  • wymaganą pojemność obciążenia (CL)
  • dopuszczalny poziom wysterowania
  • wymagany czas startu
  • topologię oscylatora i wewnętrzne wzmocnienie.

Tylko wtedy, gdy parametry te są zgodne z kryształem, oscylator będzie działał w granicach tolerancji i spełniał wymagania czasowe, takie jak szybkość transmisji bezprzewodowej, USB, CAN, Ethernet, UART itp.

B. Rola nośności (CL)

Pojemność obciążenia definiuje punkt pracy częstotliwości oscylacji. Każdy kryształ jest przycinany do określonego CL (np. 8 pF, 12 pF, 16 pF).

Efektywna pojemność obciążenia wynika z:

Nośność Częstotliwość drgań

Typowe pojemności pasożytnicze:

  • Pin IC: 1-3 pF
  • Ścieżki: 0,5-2 pF
  • Pola lutownicze: 0,5-1 pF

W przypadku wybrania zbyt małej wartości CL: Częstotliwość wzrasta → możliwy błąd taktowania.
W przypadku wybrania zbyt dużej wartości CL: Częstotliwość spada, a oscylator może się słabo uruchamiać.

C. Wymiarowanie pojemności zewnętrznych

Zewnętrzne pojemności C1 i C2 są tak dobrane, aby:

Wymiarowanie pojemności zewnętrznych Wzór

Typowe wartości orientacyjne:

Kwarc CL

C1/C2 wartość początkowa

6 pF12-15 pF
8 pF15-18 pF
12,5 pF18-20 pF

Precyzyjna regulacja jest często dokonywana za pomocą pomiarów lub zaleceń producenta.

Przykład obliczeń:

Pytanie: "Jakie zewnętrzne pojemności muszę podłączyć do kryształu CL 12pF?".

Na podstawie powyższego wzoru obliczana jest następująca wartość:

182 podzielone przez 36 plus 2pF = 18 pF (CX1 i CX2 powinny mieć po 18pF do GND)

Pomiary w obwodzie naszych oscylujących kryształów w obwodach klientów wykazały, że pojemność rozproszona( pasożytniczaC ) wynosząca 2pF jest bardzo wiarygodnym średnim parametrem.

Istnieją jednak również producenci układów scalonych, którzy w swoich arkuszach danych opisują obciążenie pojemnościowe XIN/XOUT do 7pF. Dlatego ważne jest, aby ponownie przeczytać arkusz danych przed obliczeniem pojemności obwodu dla oscylatora kwarcowego, aby sprawdzić, jakie obciążenie pojemnościowe może być określone dla XIN/XOUT.

Jeśli oscylator kwarcowy ma być używany w aplikacji o wyższej długoterminowej dokładności, na przykład w aplikacjach bezprzewodowych dla pasma ISM, zalecamy użycie 1% tolerowanych pojemności obwodu.

D. Poziom napędu i utrata mocy

Poziom wysterowania (zazwyczaj 1-200 µW) wskazuje, ile mocy kwarc może tolerować na stałe.

Zbyt wysoki poziom wysterowania prowadzi do

  • Zwiększonego starzenia i dryftu
  • Zwiększonej stabilności częstotliwości
  • Zwiększenia rezystancji rezonansu szeregowego
  • Uszkodzeń spowodowanych pęknięciami płytki kwarcowej.

Zbyt niski poziom wysterowania powoduje

  • zawodny rozruch
  • Zwiększone wartości jittera

Układy scalone oscylatorów zwykle określają typowy i maksymalny poziom wysterowania; zalecane jest wykonanie pomiaru.

Ponieważ konstrukcje rezonatorów dla dostarczanych przez nas kryształów SMD są opracowywane we własnym zakresie, możemy również dostarczać kryształy oscylatorów MHz o wysokiej stabilności poziomu wysterowania w małych obudowach ceramicznych. Mini kwarc o niskim ESR z serii SMD03025/4 do 500 µW lub ultra-miniaturowy kwarc MHz z serii SMD02016/4 o mocy do 400 µW.

E. Czas rozruchu (czas rozpoczęcia)

Czas rozpoczęcia zależy od

  • wzmocnienia oscylatora w układzie scalonym
  • ESR (równoważna rezystancja szeregowa) oscylatora kwarcowego
  • pojemności obciążenia oscylatora kwarcowego
  • Wartości pojemności obwodów zewnętrznych
  • Temperatura i napięcie zasilania

Zbyt wysokie wartości CL często znacznie wydłużają czas startu → problematyczne w przypadku MCU o niskim poborze mocy z cyklami uśpienia.

F. ESR - niedoceniany parametr

Wpływ współczynnika ESR

  • Zachowanie w stanach przejściowych i stabilność w stanach przejściowych
  • Zużycie energii
  • Zachowanie w stanach przejściowych przy niskich prądach kwarcowych

Wiele układów scalonych określa maksymalny współczynnik ESR (np. 70 Ω). Jeśli kwarc jest powyżej tej wartości, oscylator nie może się bezpiecznie uruchomić.

F.1: Dlaczego stopnie oscylatora mają ujemną rezystancję wejściową

W pojemnościowych oscylatorach Pierce'a - zdecydowanie najczęściej stosowanej topologii w mikrokontrolerach - wewnętrzny falownik układu scalonego działa w analogowym zakresie roboczym, w którym zachowuje się jak wzmacniacz o ujemnej impedancji. Ta ujemna rezystancja wejściowa (-Rneg) jest zamierzona i zapewnia, że

  • kryształ otrzymuje energię z obwodu oscylatora,
  • straty w krysztale (ESR) są kompensowane,
  • oscylacja rośnie niezależnie i staje się stabilna.

W uproszczeniu, warunek początkowy jest następujący

Warunki początkowe

Oznacza to, że wartość ujemnej rezystancji wejściowej musi być większa niż rezystancja szeregowa (ESR) kryształu.

Tylko wtedy wystąpi wzmocnienie netto prowadzące do oscylacji.

 

F.2: Wpływ na bezpieczeństwo reakcji przejściowej

Jeśli wartość ujemnej rezystancji wejściowej jest zbyt mała (tj. -Rneg jest zbyt słaba), dzieje się co następuje:

  • Kwarc otrzymuje zbyt mało energii → powolne oscylacje lub brak oscylacji w ogóle
  • Oscylacja rozpoczyna się dopiero przy wyższym napięciu zasilania lub temperaturze
  • Rozruch w trybach pracy o niskim poborze mocy staje się zawodny.

Typowa przyczyna:
Niektóre nowoczesne MCU mają słabe wzmacniacze oscylatora ze względu na wydajność, co oznacza, że -Rneg jest mniejszy niż w starszych generacjach układów scalonych. Jednocześnie, wiele konstrukcji pracuje z małymi pojemnościami obciążenia lub długimi ścieżkami, co zwiększa straty pasożytnicze.

 

P.3: Dlaczego kryształy o niskim ESR są szczególnie ważne?

Współczynnik ESR kryształu określa jego straty wewnętrzne. Niski współczynnik ESR oznacza

  • niższe straty
  • niższe konieczne przeciwwzmocnienie
  • wysoką stabilność przejściową nawet przy słabych stopniach oscylatora
  • krótszy czas rozruchu
  • Bardziej stabilna oscylacja w zależności od temperatury

Zalecenia praktyczne:
- Należy używać kryształów, których ESR jest znacznie poniżej maksymalnej wartości określonej przez układ scalony.
- Jeśli mikrokontroler określa maksymalny ESR na poziomie 70 Ω, idealnym rozwiązaniem jest kryształ o ESR 30-50 Ω. Pozostawia to wystarczający margines bezpieczeństwa przed potencjalnie niską ujemną rezystancją wejściową oscylatora.

 

F.4: Wnioski dotyczące interakcji -Rneg i ESR kwarcu

Niezawodność odpowiedzi przejściowej zależy zasadniczo od następujących czynników:

  • wewnętrzny oscylator zapewnia wystarczającą ujemną rezystancję wejściową,
  • kryształ ma wystarczająco niską ESR,
  • pojemności obciążenia są prawidłowo zwymiarowane.

Tylko wtedy, gdy stosunek -Rneg do ESR jest prawidłowy, kryształ uruchomi się szybko, niezawodnie i w całym zakresie temperatur i napięć.

G. Zalecenia dotyczące układu

Poniższe dotyczy kryształów:

  • Umieścić kryształ + kondensatory jak najbliżej układu scalonego
  • Krótkie, symetryczne ścieżki
  • Brak sygnałów lub płaszczyzn uziemienia bezpośrednio pod kryształem - zmniejsza pojemność pasożytniczą
  • Dedykowana wyspa GND dla kondensatorów
  • Jeśli to możliwe, podłącz kryształ do GND (w przypadku naszych oscylujących kryształów SMD w ceramicznej obudowie, pady #2 i #4 mogą być podłączone do GND. Należy jednak natychmiast podłączyć kryształ do GND i nie zmieniać go w celu dostrojenia częstotliwości w obwodzie.

Środki te poprawiają kompatybilność elektromagnetyczną, jitter i zachowanie podczas uruchamiania.

H. Typowe błędy w praktyce

  • Nieprawidłowy wybór CL → Błąd częstotliwości
  • Kryształ o zbyt wysokim ESR → Nie uruchamia się niezawodnie
  • Przekroczony poziom wysterowania → silny dryft kryształu
  • Zły układ → Niestabilna oscylacja
  • Nieprawidłowo uwzględnione pojemności pasożytnicze

I. Wnioski

Optymalne dopasowanie kryształu do układu scalonego ma kluczowe znaczenie dla niezawodności oscylatora i długotrwałego działania rezonatora krystalicznego w obwodzie (dopasowanie poziomu wysterowania). Dzięki prawidłowej pojemności obciążenia, prawidłowemu poziomowi wysterowania, odpowiedniemu współczynnikowi ESR i dobremu układowi, konstruktorzy mogą zapewnić stabilne częstotliwości referencyjne.

Schematy oscylatorów

Techniczne wyjaśnienie wykresów oscylatora

Przegląd

Przedstawione schematy opisują fizyczne i elektryczne mechanizmy, które określają zachowanie podczas rozruchu i pracy oscylatora Pierce'a stabilizowanego kwarcem. Skupiono się w szczególności na

  • ujemnej rezystancji wejściowej stopnia oscylatora,
  • modelu strat kryształu kwarcu (ESR),
  • warunek rozruchu zgodnie z kryterium Barkhausena,
  • strukturze czasowej poziomu wysterowania,
  • pojemności pasożytnicze i
  • czynniki związane z układem.

Parametry te mają decydujące znaczenie dla rezerwy bezpieczeństwa, czasu załączenia, dokładności częstotliwości, jittera i stabilności długoterminowej.

1. oscylator pierce i ujemny rezystor wejściowy

(ilustracja w lewym górnym rogu)

Ten schemat przedstawia klasyczny obwód oscylatora Pierce'a zintegrowany w większości mikrokontrolerów i układów ASIC. Oscylator Pierce'a opiera się na wzmacniaczu odwracającym, który jest zmuszony do pracy liniowej poprzez sprzężenie zwrotne za pośrednictwem kryształu kwarcu. W tym punkcie pracy stopień wejściowy można opisać za pomocą modelu równoważnego małosygnałowego z ujemną rzeczywistą częścią impedancji.

Matematycznie ma to następujące zastosowanie:

Formuła oscylatora Pierce'a

Ten ujemny rezystor stanowi aktywne źródło energii, które kompensuje straty występujące w kwarcu.

Ważne właściwości -Rneg:

  • zależny od napięcia zasilania, temperatury i zmienności procesu
  • silny wpływ wewnętrznych sieci polaryzacji
  • celowo zredukowany w projektach o niskim poborze mocy

Znaczenie techniczne:

  • Wewnętrzny inwerter układu scalonego działa w zakresie liniowym i zachowuje się jak ujemny rezystor (-Rₙₑg).
  • Ta ujemna rezystancja wejściowa kompensuje straty kryształu kwarcu (jego ESR).
  • Oscylacja może wzrosnąć tylko wtedy, gdy istnieje wystarczająca ujemna impedancja.

Kluczowa wiadomość:
Stopień oscylatora dostarcza energię - kryształ określa częstotliwość.

2. model nośności kryształu kwarcu

(górna środkowa ilustracja)

Ta ilustracja przedstawia kryształ kwarcu z dwoma zewnętrznymi kondensatorami C₁ i C₂.

Kwarc można opisać elektrycznie za pomocą szeregowego elementu RLC(R1, L1,C1) z równoległą pojemnością pakietu C0. ESR (Equivalent Series Resistance) reprezentuje straty mechaniczne układu oscylacyjnego.

Okablowanie zewnętrzne z C₁ i C₂ definiuje efektywną pojemność obciążenia:

Efektywna nośność Wzór

Odchylenia od określonego CL prowadzą do

  • Systematycznego przesunięcia częstotliwości
  • Zmieniony kąt fazowy w pętli sterowania
  • zmniejszonej ujemnej rezerwy rezystancji

Znaczenie techniczne:

  • Efektywna pojemność obciążenia określa rzeczywistą częstotliwość roboczą kwarcu.
  • C₁ i C₂ działają szeregowo, z dodatkowymi pojemnościami pasożytniczymi.
  • Kwarc jest zawsze specyfikowany dla określonej pojemności obciążenia (np. 8 pF lub 12 pF).

Kluczowa wiadomość:
Nieprawidłowa pojemność obciążenia prowadzi do odchyleń częstotliwości i gorszego zachowania w stanach przejściowych.

3. warunek rozruchu i ujemna rezerwa rezystancji
(Warunek rozruchu: |Rₙₑg| > Rₑₛᵣ)

(ilustracja w prawym górnym rogu)

Niezbędny warunek początkowy wynika z kryterium Barkhausena:

  • Wzmocnienie pętli ≥ 1
  • Przesunięcie fazowe = 0° (lub 360°)

W modelu impedancji jest to zredukowane do:

Model impedancji Wzór

W przypadku solidnych konstrukcji zalecana jest rezerwa bezpieczeństwa:

Formuła rezerwy bezpieczeństwa

W zastosowaniach motoryzacyjnych wymagane są następujące elementy:

Zastosowania motoryzacyjne Formuła

Konsekwencje niewystarczającej rezerwy:

  • Wydłużony, niestabilny czas rozruchu
  • Brak wahań zależnych od temperatury
  • Problemy z rozruchem przy niskim napięciu zasilania

Ta prosta nierówność opisuje podstawowy stan przejściowy.

Znaczenie techniczne:

  • Wartość ujemnej rezystancji wejściowej musi być większa niż ESR kryształu kwarcu.
  • Jeśli warunek ten nie zostanie spełniony, kryształ nie będzie oscylował lub będzie oscylował w sposób niewiarygodny.
  • Nowoczesne MCU o niskim poborze mocy często mają mniejszą -Rₙₑg niż starsze konstrukcje.

Kluczowa wiadomość:
Kryształy o niskim współczynniku ESR mają kluczowe znaczenie dla niezawodnej oscylacji na etapie oscylatora.

>Wszystkie dostarczane przez nas kryształy oscylatorów są wyposażone w ekskluzywną technologię technologię LRT (Low ESR Resonator Technology). Nasze innowacyjne kryształy rezonansowe LRT mają bardzo niskie wartości ESR (przy +25°C i w odpowiednim określonym zakresie temperatur), dzięki czemu oferują projektantowi obwodu bardzo wysoką rezerwę przejściową i zawsze oscylują bardzo szybko i bardzo bezpiecznie w obwodzie w każdych okolicznościach.

4. czasowa struktura poziomu napędu

(lewy dolny wykres)

Ta krzywa pokazuje narastanie amplitudy oscylacji w czasie po włączeniu.

Po włączeniu oscylator rozpoczyna pracę w zakresie szumów. Amplituda oscylacji wzrasta wykładniczo zgodnie z:

Wzór na wzrost amplitudy drgań

gdzie stała czasowa τ jest określona przez różnicę między ujemnym wzmocnieniem i stratami.

Ograniczenia poziomu napędu:

  • Górny limit ze względu na obciążalność mechaniczną kryształu kwarcu
  • Dolna granica ze względu na energię wymaganą do stabilizacji

Zbyt wysoki poziom wysterowania przyspiesza starzenie i dryft, a zbyt niski pogarsza jitter i zachowanie podczas rozruchu.

Znaczenie techniczne:

  • Na początku oscylacja jest bardzo mała i rośnie wykładniczo.
  • Stacjonarny poziom wysterowania wynika z równowagi między wzmocnieniem i stratami.
  • Zbyt wysoki poziom wysterowania może uszkodzić kwarc, a zbyt niski poziom wysterowania utrudnia rozruch.

Kluczowe przesłanie:
Prawidłowo zwymiarowany oscylator uruchamia się szybko i obsługuje kryształ w dopuszczalnym zakresie mocy.

5 Zdolności pasożytnicze i ich skutki

(dolna środkowa ilustracja)

Pojemności pasożytnicze są powodowane przez

  • Styki układu scalonego (zazwyczaj 1 - 3 pF)
  • Ścieżki przewodów (≈ 0,5 - 2 pF)
  • Pola lutownicze i obudowa

Te pojemności

  • zwiększają efektywną pojemność obciążenia
  • zmniejszają wartość -Rneg
  • przesuwają optymalny punkt pracy

Projekty z niskim określonym CL są szczególnie krytyczne, ponieważ efekty pasożytnicze mają tam silny wpływ procentowy. W zastosowaniach zasilanych bateryjnie, kryształy SMD o niskiej pojemności obciążenia są zwykle określane przez odpowiednich producentów układów scalonych. Kryształ MHz typ. 8 pF. Kryształ 32,768 kHz do 4 pF. W takich zastosowaniach zaleca się wybranie tolerancji maks. 1% dla pojemności obwodów zewnętrznych C₁ i C₂. Może to znacznie zmniejszyć pasożytniczy wpływ na częstotliwość roboczą kwarcu.

Znaczenie techniczne:

  • Pojemności pasożytnicze zwiększają efektywną pojemność obciążenia w sposób niezamierzony.
  • Wpływają one na częstotliwość kryształu, czas reakcji przejściowej i niezawodność, a także na ujemną rezerwę rezystancji.
  • Są one szczególnie istotne w przypadku kryształów o niskim CL (< 10 pF).

Kluczowe przesłanie:
Pasożytnicze pojemności muszą być zawsze brane pod uwagę przy wymiarowaniu kondensatorów obciążenia/obwodów zewnętrznych.

6. wpływ układu na stabilność oscylatora

(ilustracja w prawym dolnym rogu)

Ta schematyczna ilustracja przedstawia zalecane zasady układu. Układ płytki drukowanej ma większy wpływ na zachowanie kryształu w obwodzie, niż się często zakłada.

Znaczenie techniczne:

  • Podłącz kryształ i kondensatory obciążenia bardzo blisko układu scalonego
  • Krótkie, symetryczne ścieżki
  • Brak sygnałów lub płaszczyzn uziemienia pod kryształem
  • Dedykowane, czyste prowadzenie masy

Kluczowa wiadomość:
Zły układ może sprawić, że nawet optymalnie dobrany kryształ będzie bezużyteczny.

7. Podsumowanie:

Rysunek ilustruje, że działanie oscylatora kwarcowego zależy nie tylko od samego kryształu, ale także od interakcji między oscylatorem IC, ESR, pojemnością obciążenia, efektami pasożytniczymi i układem.

Aby uzyskać solidną konstrukcję oscylatora, muszą być spełnione następujące warunki:

  • Kwarc oniskim ESRwybrać
  • aby zapewnić wystarczającą rezerwę ujemnej rezystancji
  • Realistycznie obliczać obciążalność
  • Konsekwentna optymalizacja układu

Kluczowe przesłanie:

Kwarc powinien nie tylko spełniać specyfikację IC, ale powinien być znacznie niższy, aby niezawodnie kompensować wpływy procesu, temperatury i starzenia.

Lub po prostu zadzwoń do naszych specjalistów. Otrzymasz od nas pełne wsparcie projektowe. Twój sukces jest naszym celem!

powrót do strony słownika
powrót

Kontakt telefoniczny

Nasi eksperci ds. częstotliwości są do Twojej dyspozycji

Zadzwoń teraz

Napisz do nas

Wyślij nam e-mail - z przyjemnością Ci pomożemy

Napisz do nas teraz