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.
