Obwody kryształów oscylacyjnych MHz

Oscylator Pierce'a: wymiarowanie, obciążalność i optymalizacja EMC

1 Wprowadzenie i cel

Kryształy oscylacyjne (rezonatory kwarcowe) są preferowanym elementem odniesienia częstotliwości w szerokim zakresie zastosowań. Ich doskonała stabilność częstotliwości i niewielkie rozmiary sprawiają, że są niezastąpione - pod warunkiem, że otaczające je obwody są prawidłowo zwymiarowane.

Niniejsza nota aplikacyjna dotyczy praktycznego okablowania kryształów oscylacyjnych MHz w klasycznym obwodzie oscylatora Pierce'a.

Skupiono się na

• funkcji i doborze rezystora szeregowego R_S
• Obliczanie i wybór pojemności obciążenia C1 / C2
• Zapewnienie niezawodnej odpowiedzi przejściowej we wszystkich warunkach pracy
• Optymalizacja EMC zgodnie z normą CISPR 25 - redukcja emisji harmonicznych

2 Definicja problemu

Niniejsza nota aplikacyjna dotyczy w szczególności kryształu fundamentalnego 40 MHz w obudowie ceramicznej 3,2x2,5 mm/4pad o pojemności obciążenia 12 pF. Zakres temperatur pracy wynosi -40/+125°C, lub ESR maks. 35 Ohm (-40/+125°C) dla tego zgodnego z AEC-Q200 kryształu LOW ESR 40 MHz. Tolerancja częstotliwości kryształu została określona na ±10 ppm przy +25°C, a stabilność temperaturowa na ±50 ppm w zakresie temperatur -40/+125°C.

Podczas opracowywania nowej aplikacji motoryzacyjnej klient stwierdził, że pomiar emisji zgodnie z CISPR-25 wykazał, że wartość graniczna została przekroczona przy około 360 MHz, co może być związane z kryształem oscylatora.

Obwód oscylatora zawiera równoległy rezystor 1 Mohm, a także rezystor szeregowy i dwa kondensatory po 12pF do GND każdy.

Pytanie od klienta: Jak musi zwymiarować R_S, aby nie było więcej zakłóceń EMC i na co jeszcze musi zwrócić uwagę w odniesieniu do dokładności częstotliwości i zachowania przejściowego oscylującego kryształu kwarcu 40 MHz?

3 Podstawy oscylatora Pierce'a

3.1 Topologia obwodu

Oscylator Pierce składa się z czterech podstawowych komponentów:

3.2 Warunek oscylacji (kryterium Barkhausena)

Aby oscylator oscylował i pozostawał stabilny, muszą być spełnione jednocześnie dwa warunki:

• Warunek amplitudy: |R_neg| > ESR kryształu kwarcu (zwykle zalecany współczynnik 5×)
• Warunek fazy: Całkowity obrót fazy w ścieżce sprzężenia zwrotnego wynosi 360°

Ujemna rezystancja wejściowa R_neg typowego falownika CMOS przy częstotliwości 40 MHz mieści się w zakresie od -200 Ω do -1000 Ω. Przy ESR wynoszącym 35 Ω, warunek amplitudy jest w zasadzie łatwy do spełnienia - bez R_S jest on jednak niekontrolowany i wiąże się z wysoką mocą wysterowania.

Uwaga: Margines wzmocnienia powinien wynosić co najmniej 5-krotność wartości minimalnej, aby pokryć wahania temperatury, napięcia zasilania i tolerancji komponentów. W zastosowaniach motoryzacyjnych wymagany współczynnik bezpieczeństwa reakcji przejściowej wynosi >10.

4 Rezystor szeregowy R_S

4.1 Funkcja i znaczenie

R_S nie jest - wbrew pierwszemu wrażeniu - opcjonalnym gniazdem komponentu, ale komponentem o krytycznym znaczeniu funkcjonalnym z kilkoma zadaniami:

4.2 Zalecenia dotyczące wymiarowania

Dla kryształu 40 MHz z ESR = 35 Ω i C_L = 12 pF obowiązują następujące wartości orientacyjne:

Uwaga: Zalecenie: Przy R_S = 330 Ω do 470 Ω, w praktyce zawsze jesteś po bezpiecznej stronie dla zakresu częstotliwości 10-50 MHz. W przypadku sprawdzonych problemów EMC, 470 Ω jest pierwszym punktem wyjścia.

4.3 Uwzględnienie wartości granicznych

Zbyt duży R_S może naruszyć warunek oscylacji, jeśli ujemna rezystancja falownika jest niska. Ogólna zasada dla górnego limitu:

R_S_max ≈ |R_neg| / 5 - ESR

Dla R_neg = -300 Ω (konserwatywne założenie dla 40 MHz): R_S_max ≈ 300/5 - 35 = 25 Ω ... To pokazuje: Rzeczywista rezystancja ujemna musi być znana lub pochodzić z arkusza danych używanego układu scalonego. W razie wątpliwości należy zawsze przeprowadzać pomiary przy Tmin i Vcc_min.

Uwaga: Jeśli R_neg jest nieznany: R_S = 330 Ω z weryfikacją poprzez uruchomienie pomiaru (oscyloskop, analizator widma) w ekstremalnych warunkach (-40 °C, Vcc_min).

5 Pojemności obciążenia C1 i C2

5.1 Obliczanie efektywnej pojemności obciążenia

Efektywna pojemność obciążenia C_L_eff widziana przez kwarc wynika z szeregowego połączenia C1 i C2 oraz pasożytniczej pojemności rozproszonej C_stray ścieżki przewodnika i podkładki układu scalonego:

C_L_eff = (C1 × C2) / (C1 + C2) + C_stray

C_stray mieści się w zakresie 2-5 pF na typowej płytce drukowanej. C_stray = 3 pF jest używane jako realistyczne założenie dla projektu.

5.2 Porównanie: 12 pF vs. 18 pF na kondensator

5.3 Zalecenie

C1 + C2 = 18 pF to optymalny wybór dla kryształu o pojemności obciążenia C_L = 12 pF na standardowej płytce drukowanej. Ten wybór

• prawie dokładnie spełnia określoną pojemność obciążenia przy C_stray ≈ 3 pF
• całkowicie zmniejsza dodatni błąd częstotliwości w porównaniu do C1=C2=12 pF
• poprawia tłumienie harmonicznych o ok. 3 dB
• jest mniej wrażliwy na zmiany pojemności rozproszonej w układzie.

Uwaga: Jeśli nie można wiarygodnie oszacować C_stray na płytce drukowanej, zaleca się użycie 22 pF z opcją zmniejszenia do 18 pF lub 15 pF (rozmieszczenie NP). Umożliwia to iteracyjną optymalizację częstotliwości bez przeprojektowywania płytki drukowanej.

6 Optymalizacja EMC - CISPR 25

6.1 Przyczyna emisji harmonicznych przy 360 MHz

Przekroczenie wartości granicznej przy 360 MHz w kontekście pomiarów CISPR 25 jest znanym zjawiskiem w przypadku oscylatorów Pierce 40 MHz. 360 MHz odpowiada 9. harmonicznej częstotliwości podstawowej (9 × 40 MHz = 360 MHz).

Główna przyczyna leży w stromości zboczy falownika CMOS: czasy przełączania w zakresie 0,5-2 ns generują bogate spektrum harmonicznych, które docierają do przewodników nietłumione bez wystarczającego filtrowania dolnoprzepustowego.

6.2 Łańcuch efektów i obliczanie tłumienia

Filtr dolnoprzepustowy RC, który tworzy R_S wraz z C1 (lub C2), zapewnia następujące tłumienie przy 360 MHz:

Tłumienie [dB] = 20 × log₁₀(f / f_c) z f_c = 1 / (2π × R_S × C)

6.3 Pakiet środków zaradczych

Zalecane są następujące środki w kolejności od najważniejszego do najmniej ważnego:

Uwaga: Żaden ze środków nie powinien być rozpatrywany oddzielnie. Połączenie R_S = 470 Ω i C1/C2 = 18 pF jest pierwszym zalecanym krokiem; dotyczy przyczyny (filtrowanie dolnoprzepustowe), a nie tylko objawu.

7 Lista kontrolna wymiarowania

Niniejsza lista kontrolna podsumowuje wszystkie kroki prawidłowego okablowania oscylatora Pierce:

8 Obwód referencyjny: kryształ kwarcowy 40 MHz

Poniższa tabela przedstawia w pełni zwymiarowany obwód referencyjny dla kwarcu 40 MHz z C_L = 12 pF i ESR = 35 Ω:

9 Typowe błędy i środki zaradcze

10 Inne normy i literatura

• IEC 60122-1: Rezonatory kwarcowe - Definicje i metody pomiaru
• CISPR 25: Limity i metody pomiaru tłumienia zakłóceń radiowych w pojazdach
• Colpitts, E. H. (1918): Oryginalny patent oscylatora Colpitts/Pierce
• Marvin, A. / Dawson, J.: Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation, Van Nostrand Reinhold.

Zastrzeżenie: Niniejsza nota aplikacyjna służy wyłącznie jako wskazówka. Wszystkie wymiary należy zweryfikować, mierząc produkt końcowy. PETERMANN-TECHNIK GmbH nie ponosi odpowiedzialności za jakiekolwiek szkody wynikające z wykorzystania tych informacji.