Praktické metody měření pro příspěvek "Optimalizace křemenných krystalů pro integrované obvody" - oddíly G a 6
K článku v encyklopedii : Optimální přiřazení krystalů k integrovaným obvodům
O čem to celé je
Špatné uspořádání desky plošných spojů může způsobit, že i optimálně vybraný krystal bude nepoužitelný. Rozložení přitom ovlivňuje několik vlastností současně - parazitní kapacitu, rezervu |-Rneg|, jitter, chování při EMC a přechodovou odezvu. Tento příspěvek popisuje strukturovaný test, který se používá ke konečnému ověření rozložení krystalu na hotové desce.
Kontrolní seznam rozložení (kontrola návrhu)
Před měřením se rozložení zkontroluje podle stanovených pravidel návrhu:
| Pravidlo | Kritérium | Test |
|---|---|---|
| Pozice | Kvarc + C1, C2 přímo u IC | Vzdálenost < 5 mm k XIN/XOUT |
| Symetrie | Čáry C1/C2 stejné délky | ±1mm rozdíl |
| Izolace | Žádné signály pod nebo vedle křemene | Kruh kolem křemene ≥ 2 mm |
| Zemní rovina | Není GND rovina přímo pod křemenem | reces na všech vrstvách |
| Ostrůvek GND | Vyhrazená oblast GND pro C1, C2 | Vyhrazené připojení k hlavnímu GND |
| Křemenné pouzdro | Pady #2/#4 na GND (4pady keramické) | přímé připojení, < 1 mm |
| ochrana | Nezmění se vrstvy pod křemenem | Vypadá to venku |
| EMV | Vzdálenost k hodinovým řádkům | ≥ 5 mm k hodinovým čarám |
| Vlhkost/průchodnost cest | Vzdálenost konformního povlaku | Vzhledem k drsnému prostředí |
Ověřování rozložení na základě měření
Následující měření na hotové desce odhalují typické nedostatky rozložení:
Ověření 1: Měření jitteru na výstupu oscilátoru
.- Osciloskop ≥ 1 GHz s funkcí analýzy jitteru (periodický jitter, jitter mezi cykly)
- Místo měření: výstup hodinového signálu řízeného krystalovým oscilátorem (výstup PLL, pin SYSCLK, pin přenosové rychlosti UART)
- Očekávání: periodický jitter < 30 ps RMS pro standardní aplikace; < 10 ps RMS pro USB, Ethernet, HDMI
.
Zvýšený jitter (< 50 ps RMS) indikuje vazbu od sousedních signálů, nesprávné uzemnění nebo příliš nízkou úroveň řízení.
Ověření 2: Předběžná zkouška EMC - sonda blízkého pole
- Sonda blízkého pole (H-pole, průměr 10 - 30 mm) se spektrálním analyzátorem nebo Signalhound BB60C
- Skenování oblasti přes křemen, kondenzátory a IC
- Očekávání: Základní frekvence viditelná, jasně dominantní. Harmonické frekvence utlumeny.
Poplašné signály: vysoké harmonické (> 3. řádu) nebo zřetelné emise v místech vzdálených od krystalu indikují problémy se spojením a uspořádáním. (Viz také případová studie https://www.petermann-technik.de/praxis-wissen/40mhz-quarz-emv-verbessern-fallbeispiel.html
Ověření 3: Síla vazby VCC
- Vložte do vedení VCC injektor šumu nebo funkční generátor (šum 50 - 200 mVpp, šířka pásma 10 kHz - 100 MHz)
- Sledujte stabilitu frekvence a jitter na výstupu
.
Očekávání: Frekvence se mění o < 2 ppm, jitter zůstává v uvedeném rozsahu. Silné výchylky ukazují na nedostatečné místní oddělení VCC na IC oscilátoru.
Ověření 4: Studený start
- Klimatická komora při -40 °C (nebo studený sprej), VCC na Vmin
- Aspoň 30 procesů zapnutí. Každý z nich se musí bezpečně rozběhnout (viz příspěvek o době rozběhu)
Nejčastější chyba v uspořádání, která zde vychází najevo: příliš vysoké Cpar, což způsobuje, že |-Rneg| v nejhorším případě klesne pod ESR.
Ověření 5: Teplotní profil na křemenném pouzdře
- Termální zobrazovací kamera nebo termočlánek přímo na křemenném pouzdře
- Očekávání: křemenné pouzdro < 5 K nad okolní teplotou
.
Pokud se křemen výrazně zahřeje (> 10 K), je úroveň pohonu příliš vysoká - viz příspěvek o měření úrovně pohonu. Důsledkem je zrychlené stárnutí a drift.
Časté chyby v uspořádání a jejich podpis při měření
| Chyby rozložení | Typický podpis měření | Pravidlo |
|---|---|---|
| Plocha GND pod křemenem | Frekvenční posun +5 až +20 ppm, Cpar > 4 pF | Výřez pro GND na všech vrstvách |
| Dlouhé přívody (> 10 mm) | Zvýšení rozkmitů, prodloužení doby spuštění | zkráceno směrování, křemen blíže k IC |
| C1/C2 umístěny asymetricky | Různé amplitudy na XIN/XOUT, úroveň pohonu asymetrická | Symetrické směrování |
| Čára hodin blízko křemíku | Boční pásma ve spektru, zvýšený fázový jitter | V případě potřeby vzdálenost ≥ 5 mm. Vodič GND mezi nimi |
| Není třeba lokální blokovací kondenzátor (100 nF) na IC VCC | Frekvenční drift při změně zátěže | 100 nF + 10 nF co nejblíže k IC |
| Vias pod křemenem | Zvýšený jitter, špatná EMC | Volný prostor pod křemenem, úprava směrování |
| Podložky křemenného pouzdra plovoucí | Citlivé na blízkost ruky, EMC vazba | Pady #2/#4 přímo na GND |
Schválení konečného návrhu
Před schválením série doporučujeme souhrnnou zkušební tabulku. Všechny body musí být splněny v nejhorším provozním bodě (Vmin, -40 °C nebo +85 °C v závislosti na aplikaci, nejhorší tolerance součástek):
| Testovací bod | Cíl | Přijatelnost |
|---|---|---|
| Přesnost frekvence při +25 °C, Vnom | ± < 5 ppm | Průchod |
| Gain-Margin (|-Rneg| / ESR) Worst-Case | ≥ 3 (průmysl) / ≥ 5 (automobilový průmysl) | Pass |
| Start-Up-Time Worst-Case | < 3× typická hodnota při +25 °C | Pass |
| Hladina pohonu | ≤ 60 % hodnoty z datového listu křemene | Propustnost |
| Period jitter | < žádost o aplikaci | Projde |
| Cpar z frekvenční metody | v rámci konstrukčního předpokladu ±0,5 pF | Pass |
| Kontrola EMV v blízkém poli | žádné znatelné emise kromě užitečné frekvence křemene | Pass |
| Test teplotních cyklů 10 cyklů -40/+85 °C | žádné selhání při startu, žádný drift > 10 ppm | proběhl |
Nejlepší postup při rozvržení ve třech řádcích
Nejdůležitější pravidla na první pohled 1. Quartz + C1, C2 kompaktní a přímo na IC, symetrické vedení, krátké linky. 2. Křemen + C1, C2 kompaktní a přímo na IC, symetrické vedení, krátké linky. Žádná oblast GND a žádné signály pod krystalem, vyhrazený ostrůvek GND pro kondenzátory. 3. Pouzdro podložek #2/#4 na čtyřpólových keramických krystalech na GND - definujte toto připojení včas a později ho neměňte kvůli vyrovnání frekvence. |
.
Další informace
Zásady uspořádání jsou popsány v praktické příručce "Optimální přiřazení krystalů k integrovaným obvodům" (kapitoly G a 6). Tento příspěvek doplňuje příručku o validaci na základě měření na hotové desce - od kontroly jitteru až po akceptaci nejhoršího případu.</p
<p>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.
