Obvody oscilačních krystalů MHz

Piercův oscilátor: dimenzování, zatížitelnost a optimalizace EMC

1 Úvod a cíl

Oscilační krystaly (křemenné rezonátory) jsou preferovaným frekvenčním referenčním prvkem v celé řadě aplikací. Díky jejich vynikající frekvenční stabilitě a malým rozměrům jsou nepostradatelné - za předpokladu, že okolní obvody jsou správně dimenzovány.

Tato aplikační poznámka se zabývá praktickým zapojením oscilačních krystalů MHz v klasickém obvodu Piercova oscilátoru.

Zaměřuje se na

• funkci a volbu sériového rezistoru R_S
• Výpočet a volba zatěžovacích kapacit C1/C2.
• Zajištění spolehlivé přechodové odezvy za všech provozních podmínek
• Optimalizace EMC podle CISPR 25 - snížení emisí harmonických

2 Definice problému

Tato aplikační poznámka se konkrétně zabývá 40MHz základním krystalem v keramickém pouzdře o rozměrech 3,2 × 2,5 mm/4pad se zatěžovací kapacitou 12 pF. Rozsah provozních teplot je -40/+125 °C, resp. ESR max. 35 Ohm (-40/+125 °C) pro tento krystal LOW ESR 40 MHz kompatibilní s AEC-Q200. Frekvenční tolerance krystalu byla specifikována s ±10 ppm při +25 °C a teplotní stabilitou ±50 ppm v teplotním rozsahu -40/+125 °C.

Během vývoje nové automobilové aplikace zákazník zjistil, že měření emisí podle CISPR-25 ukázalo překročení mezní hodnoty při frekvenci přibližně 360 MHz, což může souviset s krystalem oscilátoru.

Obvod oscilátoru obsahuje paralelní rezistor 1 Mohm, dále sériový rezistor a dva kondenzátory po 12pF na GND.

Otázka od zákazníka: Jak musí dimenzovat R_S, aby nedocházelo k většímu rušení EMC, a na co dalšího musí dbát s ohledem na přesnost frekvence a přechodové chování oscilačního křemenného krystalu 40 MHz?

3 Základy Piercova oscilátoru

3.1 Topologie obvodu

Piercův oscilátor se skládá ze čtyř základních součástí:

3.2 Podmínka kmitání (Barkhausenovo kritérium)

Aby oscilátor kmital a zůstal stabilní, musí být současně splněny dvě podmínky:

• Amplitudová podmínka: |R_neg| > ESR křemenného krystalu (obvykle se doporučuje faktor 5×).
• Fázová podmínka: Celkové otočení fáze v dráze zpětné vazby je 360°.

Záporný vstupní odpor R_neg typického měniče CMOS při frekvenci 40 MHz se pohybuje v rozmezí -200 Ω až -1000 Ω. S ESR 35 Ω je amplitudová podmínka v zásadě snadno splnitelná - bez R_S je však nekontrolovatelná a spojená s velkým výkonem pohonu.

Poznámka: Rezerva zesílení by měla být alespoň 5krát vyšší než minimální hodnota, aby se pokryly výkyvy teploty, napájecího napětí a tolerance součástek. Pro aplikace v automobilovém průmyslu je požadovaný bezpečnostní faktor přechodové odezvy >10.

4 Sériový odpor R_S

4.1 Funkce a význam

R_S není - v rozporu s prvním dojmem - volitelná součástka, ale funkčně důležitá součástka s několika úkoly:

4.2 Doporučení pro dimenzování

Pro krystal 40 MHz s ESR = 35 Ω a C_L = 12 pF platí následující směrné hodnoty:

Poznámka: Doporučení: S R_S = 330 Ω až 470 Ω jste v praxi vždy na bezpečné straně pro frekvenční rozsah 10-50 MHz. Při prokázaných problémech s EMC je 470 Ω prvním výchozím bodem.

4.3 Zohlednění limitů

Příliš velký R_S může porušit podmínku kmitání, pokud je záporný odpor měniče nízký. Pravidlo pro horní mez:

R_S_max ≈ |R_neg| / 5 - ESR

Pro R_neg = -300 Ω (konzervativní předpoklad pro 40 MHz): R_S_max ≈ 300/5 - 35 = 25 Ω ... To ukazuje: Skutečný záporný odpor musí být znám nebo odvozen z datového listu použitého integrovaného obvodu. V případě pochybností vždy proveďte měření při Tmin a Vcc_min.

Pozor : Není-li R_neg znám: R_S = 330 Ω s ověřením pomocí měření při uvedení do provozu (osciloskop, spektrální analyzátor) za extrémních podmínek (-40 °C, Vcc_min).

5 Zatížitelnost C1 a C2

5.1 Výpočet efektivní kapacity zátěže

Efektivní kapacita zátěže C_L_eff, kterou vidí křemen, je výsledkem sériového zapojení C1 a C2 plus parazitní bludné kapacity C_stray vodivé stopy a podložky IC:

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

C_stray se na typické desce plošných spojů pohybuje v rozmezí 2-5 pF. C_stray = 3 pF se používá jako realistický předpoklad pro návrh.

5.2 Srovnání: 12 pF vs. 18 pF na kondenzátor

5.3 Doporučení

C1 + C2 = 18 pF je optimální volba pro krystal se zatěžovací kapacitou C_L = 12 pF na standardní desce plošných spojů. Tato volba

• téměř přesně splňuje specifikovanou kapacitu zátěže při C_stray ≈ 3 pF.
• zcela snižuje kladnou frekvenční chybu ve srovnání s C1=C2=12 pF.
• zlepšuje potlačení harmonických přibližně o 3 dB.
• je méně citlivý na změny rozptylové kapacity v uspořádání

Poznámka: Pokud nelze spolehlivě odhadnout C_stray na desce plošných spojů, doporučuje se použít 22 pF s možností snížení na 18 pF nebo 15 pF (umístění NP). To umožňuje iterační frekvenční optimalizaci bez nutnosti přepracování návrhu DPS.

6 Optimalizace EMC - CISPR 25

6.1 Příčina harmonického vyzařování při 360 MHz

Překročení mezní hodnoty při 360 MHz v rámci měření CISPR 25 je známým jevem u oscilátorů Pierce 40 MHz. Kmitočet 360 MHz odpovídá 9. harmonické základní frekvence (9 × 40 MHz = 360 MHz).

Hlavní příčina spočívá ve strmosti hran měniče CMOS: spínací časy v rozmezí 0,5-2 ns generují bohaté harmonické spektrum, které se bez dostatečné dolnopropustné filtrace dostává k vodičům netlumené.

6.2 Řetězec účinků a výpočet útlumu

RC dolnopropustný filtr, který tvoří R_S spolu s C1 (nebo C2), poskytuje následující útlum při 360 MHz:

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

6.3 Balíček opatření

Následující opatření jsou doporučena v pořadí podle důležitosti:

Pozor : Žádné z těchto opatření by nemělo být posuzováno izolovaně. Kombinace R_S = 470 Ω a C1/C2 = 18 pF je prvním doporučeným krokem; řeší příčinu (filtrace dolní propusti), nikoli pouze příznak.

7 Kontrolní seznam rozměrů

Tento kontrolní seznam shrnuje všechny kroky pro správné zapojení oscilátoru Pierce:

8 Referenční obvod: 40 MHz křemenný krystal

Následující tabulka ukazuje plně dimenzovaný referenční obvod pro 40 MHz křemenný krystal s C_L = 12 pF a ESR = 35 Ω:

9 Běžné chyby a nápravná opatření

10 Další normy a literatura

• IEC 60122-1: Křemenné rezonátory - Definice a metody měření
• CISPR 25: Meze a metody měření pro potlačení rádiového rušení ve vozidlech
• Colpitts, E. H. (1918): Původní patent Colpitts/Pierceova oscilátoru.
• Marvin, A. / Dawson, J.: Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation (Konstrukce krystalových oscilátorů a teplotní kompenzace), Van Nostrand Reinhold

Upozornění : Tato aplikační poznámka má pouze orientační charakter. Všechny rozměry je třeba ověřit měřením konečného výrobku. Společnost PETERMANN-TECHNIK GmbH nenese odpovědnost za případné škody vzniklé v důsledku použití těchto informací.