Praktické metody měření pro příspěvek "Optimalizace křemenných krystalů pro integrované obvody" - oddíly F a F.3
K článku v encyklopedii : Optimální přiřazení krystalů k integrovaným obvodům
O čem to celé je
Ekivalentní sériový odpor (ESR) představuje mechanické a dielektrické ztráty křemenného krystalu. Je to jeden z nejdůležitějších parametrů pro přechodové chování: Nízký ESR znamená nižší ztráty, vyšší spolehlivost přechodové odezvy, kratší dobu náběhu a stabilnější oscilace v závislosti na teplotě.</p
<p class="text-justify">Výrobci MCU obvykle ve svých datových listech uvádějí maximální hodnotu ESR (obvykle 40 - 100 Ω pro krystaly s frekvencí MHz, 30 - 90 kΩ pro krystaly s frekvencí 32,768 kHz). Pokud je skutečné ESR krystalu vyšší, oscilátor se spolehlivě nespustí.
Tento příspěvek ukazuje, jak správně změřit ESR při testování jednotlivých kusů a vzorků.
Měřící metoda A: síťový analyzátor (IEC 60444-5, referenční metoda)
Síťová analýza je referenční metoda - je přesná, reprodukovatelná a je základem všech křemenných listů. Používá se výhradně v měřicích laboratořích.
Zařízení
Vektorový analyzátor sítě (VNA), např. Keysight E5061B, Rohde &; Schwarz ZNLE, nebo specializovaný křemenný zkušební můstek (Saunders 250C, Saunders 260)
π síťová zásuvka (křemenný zkušební přípravek) podle IEC 60444-5 s definovanou nosností
Přesná referenční a OSL kalibrace až do křemenného frekvenčního rozsahu
.
Postup
Kalibrace sítě π: Short-Open-Load-Through (SOLT) s přesnými etalony na cílové frekvenci.
Vložte krystal do zkušební zásuvky. Zásuvka definuje vhodnou kapacitu zátěže pro měření.
Nastavte úroveň pohonu na úroveň měření uvedenou v datovém listu křemene (obvykle 10 µW nebo 100 µW).
Provedete měření přenosu S21, hledejte minimum při sériové rezonanci.
Vypočítejte ESR z vložného útlumu při minimu rezonance.
ESR = 2 - R₀ - ( 10^(-|S21|/20) - 1 ) (s R₀ = 50 Ω pro otevřenou síť π)
Měřící metoda B: Aktivní můstek / Saundersova metoda (výrobní metoda a metoda kontroly kvality)
Komerční křemenné měřicí můstky (Saunders, TTi) přímo měří ESR, sériovou rezonanční frekvenci fs, zátěžovou rezonanční frekvenci fL a pohybové parametry L1, C1, C0. Používají se při testování vstupního zboží a kontrole kvality.</p
<p class="text-justify">Výhody: přímé zobrazení ESR v ohmech, automatická kontrola úrovně pohonu, doba měření několik sekund na krystal.
Metoda C: Odhad v obvodu (provozní metoda, pouze pro kontrolu věrohodnosti)
Je-li k dispozici pouze jeden osciloskop, lze ESR zúžit nepřímo pomocí metody sériového odporu. Tato metoda se primárně používá k určení bezpečnosti přechodové odezvy (viz samostatný příspěvek o -Rneg) a jako sekundární výsledek poskytuje horní odhad ESR.
Princip
Mezi krystal a jeden z kapacitních uzlů (obvykle na straně XOUT) se zapojí proměnný sériový odpor Rtest. Hodnota odporu, při které se oscilace právě zastaví, odpovídá mezní hodnotě:</p
<p class="text-centre">Rtest_max + ESR ≈ |-Rneg|
Je-li |-Rneg| známo ze specifikace oscilátoru, lze z něj odhadnout horní mezní hodnotu ESR. Tato metoda není dostatečná pro přesné absolutní měření.
Typické hodnoty ESR
| Typ křemene | Frekvenční rozsah | ESR typický | ESR max (datový list) |
|---|---|---|---|
| 32,768 kHz hodinky quartz standard (v závislosti na verzi pouzdra) | 32,768 kHz | 35 - 65 kΩ | 70 - 90 kΩ |
| 32,768 kHz Hodiny Quartz LRT-Low-ESR | 32,768 kHz | 40 - 45 kΩ | 50 kΩ |
| MHz quartz SMD 3,2 × 2,5 mm | 8 - 50 MHz | 40 - 80 Ω | 100 Ω |
| MHz quartz SMD 2.0 × 1.6 mm | 16 - 54 MHz | 60 - 120 Ω | 150 Ω |
| LRT quartz SMD03025/4 | 8 - 60 MHz | 20 - 50 Ω | 80 Ω |
| LRT-Quartz SMD02016/4 | 16 - 60 MHz | 30 - 70 Ω | 100 Ω |
| MHz křemen v balení 5032 THT | 4 - 40 MHz | 20 - 40 Ω | 60 Ω |
.
Pravidlo pro hodnocení
Pravidlo pro robustní konstrukci Pokud MCU udává maximální ESR_max_IC, skutečné ESR použitého krystalu by nemělo být vyšší než 50-70 % této hodnoty. Příklad: datový list MCU uvádí ESR_max = 70 Ω → požadované ESR křemene 30 - 50 Ω. Tím zůstává rezerva pro teplotní drift a stárnutí, rozptyl součástek a případně nízkou hodnotu |-Rneg|. |
.
Vliv teploty na ESR
Při nízkých teplotách je ESR vyšší. U krystalů s frekvencí 32,768 kHz může ESR při -40 °C vzrůst na 2 až 3násobek hodnoty při +25 °C. U krystalů s frekvencí MHz je teplotní koeficient mezi +25 °C a -40 °C obvykle +10 - 20 %.
Platí tedy následující: Měření a vyhodnocení datového listu musí vždy pokrývat uvedený teplotní rozsah.</p
| Kvarc | ESR při +25 °C | ESR při -40 °C (typ.) | Faktor |
|---|---|---|---|
| 32,768 kHz výchozí (v závislosti na verzi) | 45 - 70 kΩ | 100 - 130 kΩ | ×2,2 - 2,9 |
| 32,768 kHz LRT-Low-ESR | 35 kΩ | 50 kΩ | ×2,0 - 2,6 |
| MHz standard 25 MHz | 40 Ω | 45 - 48 Ω | ×1,1 - 1,2 |
| LRT SMD03025/4, 25 MHz | 25 Ω | 28 - 30 Ω | ×1,1 - 1,2 |
Časté chyby při měření ESR
Měření s nesprávnou úrovní pohonu: ESR je závislé na pohonu. Vždy dodržujte úroveň měření uvedenou v datovém listu.
Chybná kalibrace sítě π: Vede k systematickým chybám 20 - 50 %.
Míchání R1 a ESR: Datové listy někdy uvádějí R1 (sériová větev RLC), jindy ESR na rezonanční frekvenci zátěže. Obojí se mírně liší (ESR ≈ R1 - (1 + C0/CL)²). Zkontrolujte, která hodnota je myšlena.
Měření v obvodu bez zohlednění parazitních odporů dráhy, které jsou v dráze zahrnuty.
Technologie LRT: standardně nízký odpor
Všechny oscilační krystaly dodávané společností PETERMANN-TECHNIK využívají exkluzivní technologii LRT (Low ESR Resonator Technology). Díky své konstrukci mají tyto krystaly velmi nízké hodnoty ESR v celém uvedeném teplotním rozsahu, což zajišťuje konstruktérům obvodů dostatečnou přechodovou rezervu i u slabých oscilačních stupňů v moderních nízkopříkonových MCU.
Další informace
Význam ESR pro přechodovou odezvu a vztah se záporným vstupním odporem jsou podrobně popsány v praktické příručce "Optimální ladění krystalů k integrovaným obvodům" (části F a F.3). V tomto příspěvku jsou uvedeny postupy měření a doporučení konkrétních mezních hodnot.</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 uvolnění.
- 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
Jaký je ESR křemenného krystalu a proč je tak důležitý pro přechodové chování?
ESR neboli ekvivalentní sériový odpor popisuje mechanické a dielektrické ztráty křemenného krystalu. Je to jeden z nejdůležitějších parametrů pro přechodové chování oscilátoru, protože nízký ESR znamená nižší ztráty, a tedy větší přechodovou stabilitu. Kromě toho nízký ESR zlepšuje dobu rozběhu a zajišťuje stabilnější oscilace v celém teplotním rozsahu. Pokud skutečné ESR překročí maximální hodnotu stanovenou výrobcem MCU, nemusí se oscilátor spolehlivě rozběhnout. ESR je proto třeba vždy vyhodnocovat ve spojení s obvodem oscilátoru a limity uvedenými v datovém listu.
Jak se správně měří ESR křemenného krystalu pomocí síťového analyzátoru?
Referenční metodou pro měření ESR je síťová analýza podle IEC 60444-5 s použitím vektorového síťového analyzátoru nebo specializovaného křemenného měřicího můstku. K tomuto účelu se používá kalibrovaná síť π s definovanou kapacitou zátěže, do které se vloží křemenný krystal. Před měřením je nutná přesná kalibrace SOLT na cílovém kmitočtu, aby se zabránilo systematickým chybám. Poté se nastaví úroveň pohonu uvedená v datovém listu, obvykle 10 µW nebo 100 µW, a provede se měření přenosu S21. ESR lze reprodukovatelně vypočítat z vložného útlumu při rezonančním minimu, což z této metody činí základ pro profesionální křemenné datové listy.
Jaké jsou typické mezní hodnoty ESR pro krystaly s frekvencí MHz a krystaly s frekvencí 32,768 kHz?
Výrobci MCU obvykle ve svých datových listech uvádějí maximální přípustné ESR pro použitý krystal. Pro krystaly MHz se typické mezní hodnoty obvykle pohybují v rozmezí 40 až 100 ohmů. U krystalů s frekvencí 32,768 kHz jsou běžné výrazně vyšší hodnoty, obvykle kolem 30 až 90 kOhm. Vždy je rozhodující, aby skutečné ESR krystalu zůstalo pod maximální přípustnou hodnotou stupně oscilátoru. Jen tak lze zajistit spolehlivé chování při spouštění i v reálných provozních podmínkách.
Je možné zkontrolovat ESR křemenného krystalu bez síťového analyzátoru?
Pokud není k dispozici síťový analyzátor, lze ESR zúžit nepřímo pomocí metody sériového odporu. Ta spočívá ve vložení proměnného sériového odporu mezi krystal a kapacitní uzel, obvykle na straně XOUT. Hodnota odporu, při které se oscilace právě zastaví, spolu se známým záporným vstupním odporem umožňuje horní odhad ESR. Tato metoda se používá především k posouzení bezpečnosti přechodové odezvy, nikoli k přesnému absolutnímu měření. Pro přesné a reprodukovatelné hodnoty ESR je proto lepší volbou laboratorní testování s analýzou sítě nebo křemenný měřicí můstek.
Které zdroje chyb nejčastěji zkreslují měření ESR křemenných krystalů?
Častým zdrojem chyb je nesprávná úroveň pohonu, protože ESR je závislé na pohonu a musí být vždy určeno při úrovni měření uvedené v datovém listu. Stejně kritická je i nedostatečná kalibrace sítě π, která může vést k systematickým chybám měření ve výši 20 až 50 %. Kromě toho se v praxi často zaměňuje odpor motoru R1 a ESR, ačkoli obě hodnoty nejsou totožné a liší se v závislosti na kapacitě C0 a zátěži. Měření v obvodu bez zohlednění parazitních odporů dráhy také snadno vede ke zkresleným výsledkům. Kromě toho je třeba brát v úvahu stanovený teplotní rozsah, protože ESR se může při nízkých teplotách výrazně zvýšit.
Proč by měl PETERMANN-TECHNIK testovat ESR křemenného krystalu?
Společnost PETERMANN-TECHNIK se specializuje na křemenné krystaly, oscilátory a komponenty pro určování frekvence a poskytuje zákazníkům praktickou podporu při vyhodnocování ESR. Dodávané křemenné krystaly využívají exkluzivní technologii LRT, která umožňuje dosahovat velmi nízkých hodnot ESR v celém uvedeném teplotním rozsahu. To vytváří dodatečnou rezervu výkyvů, zejména pro moderní nízkopříkonové MCU se slabšími oscilačními stupni. Frekvenční odborníci navíc zákazníkům poskytují podporu při měření v reálném obvodu, s výběrem součástek až po sériové uvolnění. To znamená, že průmysloví uživatelé dostanou nejen křemenný krystal, ale také technicky správné řešení pro spolehlivé chování při startu a stabilní provoz.
