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.
