Praktické metody měření pro příspěvek "Optimalizace křemenných krystalů pro integrované obvody" - oddíly C a 5
K článku v encyklopedii : Optimální přiřazení krystalů k integrovaným obvodům
O čem to celé je:
Dva externí kondenzátory obvodu C1 a C2 na oscilátoru Pierce spolu s parazitními kapacitami obvodu (bludnými) určují efektivní kapacitu zátěže. Jednoduchá hodnota podle vzorce z datového listu obvykle nestačí, protože každá deska s obvody má individuální stray. Tento příspěvek ukazuje, jak jsou C1 a C2 správně dimenzovány a ověřeny v obvodu.
Počáteční vzorec pro dimenzování
Pro symetrické zapojení (C1 = C2 = CX) platí následující:
CL = CX / 2 + Cstray ⇒ CX = 2 - (CL - Cstray)
V mnoha datových listech se jako výchozí hodnota uvádí následující pravidlo (CL a CX v pF):
CX = 2 - CL - 2 - Cstray (Cstray typ. 2 pF)
Z původního článku vyplývají pro CL = 12 pF následující výsledky: 2-12 - 2-2 = 20 pF. Při průměrném stray 2 pF vede příklad výpočtu v lexikonu (18 pF na stranu) ke shodnému efektivnímu pracovnímu bodu - v závislosti na skutečné kapacitě vývodů integrovaného obvodu.
Krok 1: Výpočet výchozí hodnoty z datového listu
Dimenzování vždy začíná dvěma hodnotami z datového listu:
- CL krystalu (např. 8 pF, 12 pF, 16 pF, 20 pF)
- Kapacitní zátěž IC na XIN/XOUT (obvykle 1 - 7 pF na pin; v datovém listu MCU obvykle uvedeno jako "CIN/COUT" nebo "CLoad")
| Quartz-CL | Křemen (typ.) | CX počáteční hodnota C1/C2 | Rozsah |
|---|---|---|---|
| 6 pF | 2 pF | 8 pF | 7 - 12 pF |
| 8 pF | 2 pF | 12 pF | 10 - 15 pF |
| 10 pF | 2 pF | 16 pF | 15 - 18 pF |
| 12 pF | 2 pF | 20 pF | 18 - 22 pF |
| 12,5 pF | 2 pF | 21 pF | 18 - 22 pF |
| 16 pF | 2 pF | 28 pF | 22 - 30 pF |
| 20 pF | 2 pF | 36 pF | 33 - 39 pF |
Důležité před dimenzováním Podívejte se do datového listu MCU, jakou kapacitu vývodů udává výrobce pro XIN/XOUT. Některé moderní nízkopříkonové MCU mají záměrně zvýšené kapacity pinů až na 7 pF, jiné pouze 1-2 pF. Počítejte se skutečnou hodnotou, ne s pravidlem. | |||
Krok 2: Určete rozptyl plošného spoje (variační metoda)
Na cílové desce se Cstray určí pomocí dvou měření frekvence při různých hodnotách C1/C2. Jedná se o nejjednodušší a nejspolehlivější laboratorní metodu.</p
<h3 class="text-justify">Nastavení měření
Dvě sady kondenzátorů C0G/NP0 (±2 %) výrazně odlišných hodnot, např. 10 pF a 22 pF
Čítač frekvence s rozlišením ≥ 0,1 ppm s externí referencí
Malokapacitní sonda FET (< 1 pF)
.
Provedení
Posouzení 1: C1 = C2 = C_A (např. 10 pF) → měříme frekvenci f_A.
Posouzení 2: C1 = C2 = C_B (např. 22 pF) → měříme frekvenci f_B.
Obě frekvence vyjádřete jako odchylku od jmenovité frekvence:
Zjistěte odchylku ze soustavy rovnic.
.
Výpočet rovnice
.Z obou měření vyplývá tahová citlivost S a parazitní kapacita Cstray:
S = (Δf_B - Δf_A) / (CL_B_eff - CL_A_eff) [ppm/pF]
Kde CL_eff = CX/2 + Cstray. Vyrovnáním uvedené tahové citlivosti (z datového listu krystalu) a rozlišením podle Cstray získáme jedinečnou hodnotu. V praxi vývojáři k tomuto účelu obvykle používají malou tabulku Excel nebo aplikaci výrobce MCU.
Krok 3: Měření efektivní kapacity v obvodu
Velmi elegantně a bez pájení: Kapacita mezi XIN (nebo XOUT) a GND se měří přesným LCR metrem ve vypnutém stavu.
Postup měření
- Napětí napájejte na 0 V, obvod zcela odpojte od napětí.
- Krystal odpájejte (nebo nevybavujte) - pouze C1, C2, vývod IC a stopy v měřicí trase.
- Měřte kapacitu XIN → GND a XOUT → GND pomocí LCR metru (měřicí signál 1 MHz, ≤ 100 mV).
- Naměřené hodnoty by měly odpovídat vypočteným hodnotám CX + 1...3 pF (vývod IC).
Připravte se na měření.
Upozornění při měření LCR Kapacita vývodu IC je závislá na napětí. Měření LCR ve vypnutém stavu proto neposkytuje přesnou provozní hodnotu. Pro přesné konstrukce je spolehlivější referenční hodnotou metoda měření frekvence (krok 2. |
.
Krok 4: Kontrola symetrie
Nesymetrické zapojení (C1 ≠ C2) zhoršuje chování při rozběhu a rozložení úrovně pohonu. V praxi doporučujeme:
| Parametry | Cílová hodnota | Hraniční hodnota |
|---|---|---|
| Odchylka C1 až C2 | ≤ 2 % | ≤ 5 % |
| Tolerance C0G (NP0) | ±2 % | ±5 % |
| Tolerance standardní keramiky X7R | nedoporučuje se | - |
| Koeficient napětí | ≤ 1 % při Voperation | - |
.
Příklad výpočtu pomocí variační metody
Quartz: 24 000 MHz, CL = 8 pF, citlivost na tah S = -20 ppm/pF (z datového listu).
| Populace | C1 = C2 | měřená frekvence | Δf/f |
|---|---|---|---|
| Měření A | 10 pF | 24 000 042 MHz | +1,75 ppm |
| Měření B | 22 pF | 23,999 928 MHz | -3,00 ppm |
Mezi oběma umístěními se CX/2 změní o (22-10)/2 = 6 pF. Naměřená změna frekvence je -4,75 ppm → S_measured = -0,79 ppm/pF - (1/6) = ve skutečnosti asi -19,8 ppm/pF, což odpovídá datovému listu.
Při Δf_A = +1,75 ppm při CX = 10 pF: CL_eff_A = 10/2 + Cstray = 5 + Cstray. Z Δf = S - (CL_eff - CL_spec) vyplývá CL_eff_A ≈ 8 - (1,75/-20) = 7,91 pF → Cstray ≈ 2,9 pF.
Výsledek: Deska plošných spojů má Cstray ≈ 2,9 pF. Cílová hodnota CX = 2-(8 - 2,9) = 10,2 pF. Sestava s 10 pF ±2 % je tedy téměř přesně na cílové hodnotě.
Další informace
Vzorce a vztah mezi CL, C1/C2 a Cstray najdete v praktické příručce "Optimální přizpůsobení křemenných krystalů k integrovaným obvodům" (části B, C a 5). Tento příspěvek ukazuje laboratorní měření, se kterým se výpočet porovnává na vaší skutečné desce plošných spojů.
Máte dotazy k realizaci
Naši odborníci na frekvenci vám pomohou s výběrem správného krystalu, provedou měření ve vašem obvodu a poskytnou podporu při návrhu až po sériové vydání.
- Požádejte o technické poradenství
- Diskutujte s námi o své aplikaci
- Vyhledejte a objednejte vzorový krystal
- Požádejte o alternativu prostřednictvím křížového odkazu
.
Telefon: +49 8191 305395 Email: info@petermann-technik.de
Váš úspěch je naším cílem.
FAQs
Jak jsou správně dimenzovány vnější kapacity C1 a C2 na Piercově oscilátoru?
Dimenzování C1 a C2 závisí na požadované zatěžovací kapacitě CL křemíku a parazitní kapacitě Cstray reálného obvodu. Pro symetrické zapojení s C1 = C2 = CX platí vztah CL = CX / 2 + Cstray, z čehož vyplývá CX = 2 - (CL - Cstray). Čistá hodnota z datového listu v praxi často nestačí, protože efektivní kapacitu zátěže ovlivňuje také deska plošných spojů, vývody integrovaného obvodu a uspořádání. Jako výchozí hodnota se často používá typická hodnota Cstray kolem 2 pF, ale skutečný návrh je třeba ověřit na cílové desce. Tímto způsobem lze krystal provozovat blíže jeho specifikovanému pracovnímu bodu a zlepšit přesnost frekvence.
Proč je Cstray tak důležitý při návrhu kondenzátorů křemenných obvodů?
Cstray popisuje parazitní kapacity obvodu, které kromě externích kondenzátorů C1 a C2 působí na kapacitu zátěže křemíku. Patří sem vstupní kapacity XIN a XOUT, kapacity dráhy a vlivy na uspořádání. Pokud se Cstray správně nezohlední, dojde k posunu efektivní kapacity zátěže, a tedy i frekvence oscilátoru. Právě proto čistě teoretický výpočet z datového listu v mnoha případech nestačí. Spolehlivý krystalový obvod je možné navrhnout pouze s přihlédnutím ke skutečnému plošnému spoji.
Jak lze spolehlivě určit parazitní kapacitu Cstray na desce plošných spojů?
Jednoduchou a spolehlivou laboratorní metodou je variační metoda se dvěma různými symetrickými konfiguracemi pro C1 a C2. Použijí se například kondenzátory C0G/NP0 o kapacitě 10 pF a 22 pF a výsledná odchylka frekvence od jmenovité frekvence se měří v ppm. Cstray lze jednoznačně určit ze dvou měřicích bodů a tahové citlivosti krystalu z datového listu. Alternativně lze kapacitu mezi XIN nebo XOUT a GND měřit v beznapěťovém stavu pomocí přesného LCR metru. Obě metody pomáhají lépe určit skutečnou kapacitu zátěže obvodu a podle toho upravit hodnoty kondenzátorů.
Jaké měřicí zařízení a součásti jsou nutné pro stanovení Cstray a ověření C1/C2?
Pro variační metodu jsou zapotřebí dvě sady vysoce kvalitních kondenzátorů C0G/NP0 s výrazně odlišnými hodnotami, například 10 pF a 22 pF. Kromě toho je pro spolehlivý záznam malých změn frekvence užitečný čítač frekvence s rozlišením alespoň 0,1 ppm a externí reference. Pro měření na oscilátoru by se měla použít nízkokapacitní sonda FET s méně než 1 pF, aby obvod nebyl zbytečně zatěžován. Pro testování kapacity v obvodu je vhodný přesný LCR metr, ideálně s měřicím signálem 1 MHz a nízkým měřicím napětím. Pomocí tohoto zařízení lze čistě porovnat výpočet a skutečné chování křemenného obvodu.
Proč by měl být krystalový obvod co nejsymetričtější s C1 = C2?
Symetrické zapojení se stejnými hodnotami C1 a C2 zajišťuje definovanou a snadno vypočitatelnou kapacitu zátěže oscilátoru Pierce. To umožňuje přímo aplikovat vzorec pro návrh a zjednodušuje ladění na specifikovanou CL křemene. Nesymetrické obvody s C1 ≠ C2 mohou zhoršit chování při rozběhu a mít nepříznivý vliv na rozložení úrovně buzení. To může mít negativní vliv na stabilitu, frekvenční odezvu a spolehlivost oscilátoru. V praxi se proto ve většině případů dává přednost symetrickému provedení.
Proč PETERMANN-TECHNIK dimenzuje vnější kapacity C1/C2 a určuje Cstray?
Společnost PETERMANN-TECHNIK podporuje vývojáře při přesném návrhu krystalových obvodů na reálných deskách plošných spojů a kombinuje znalosti datových listů s praktickou měřicí technikou. To je obzvláště důležité, protože C1, C2 a Cstray společně určují efektivní kapacitu zátěže, a tím i skutečnou frekvenci. Společnost podporuje zákazníky při výběru správného křemene, při měření v obvodu a při ověřování až po sériové uvolnění. Tato aplikačně orientovaná podpora omezuje neshody, zbytečné iterace a frekvenční odchylky v procesu návrhu. Pro průmyslové aplikace B2B je proto PETERMANN-TECHNIK kompetentním partnerem pro odolná a frekvenčně stabilní řešení oscilátorů.
