Kontrola záporného vstupního odporu -Rneg a přechodové bezpečnostní rezervy

K článku v encyklopedii : Optimální přiřazení krystalů k integrovaným obvodům

O čem to celé je

Záporný vstupní odpor -Rneg stupně oscilátoru je zdrojem aktivní energie, který kompenzuje ztráty v krystalu (ESR) a zvyšuje oscilace. Hodnota -Rneg přímo určuje, jak spolehlivě bude krystal oscilovat - zejména při nízkém napájecím napětí, nízké teplotě a v MCU s nízkou spotřebou, jejichž oscilační stupně jsou z důvodu účinnosti záměrně navrženy jako slabé.

Tento příspěvek ukazuje metrologické určení |-Rneg| a výslednou bezpečnostní rezervu pro oscilace v reálném cílovém systému. Popsaná metoda sériového odporu je zavedenou zkušební metodou, kterou v praxi doporučuje mnoho výrobců MCU (ST, NXP, Infineon, Microchip, Renesas, Silicon Labs).

Základní princip: přechodový stav

Piercův oscilátor bezpečně kmitá, pokud aktivní zesílení měničového stupně převáží ztráty v krystalovém obvodu. Formálně:

|-Rneg| > ESR_quartz (počáteční stav podle Barkhausena)

Pro robustní konstrukce je nutná bezpečnostní rezerva:

|-Rneg| ≥ 5 - ESR_quartz (průmyslová norma)

|-Rneg| ≥ 10 - ESR_quartz (automobilový průmysl / průmysl s širokým rozsahem teplot)

Přechodová bezpečnostní rezerva je vyjádřena jako poměr:

Zálohová rezerva = |-Rneg| / ESR_quartz

Princip měření: metoda sériového odporu

Podstata je jednoduchá: Pokud se do křemenného obvodu vloží další sériový odpor Rtest, chová se jako dodatečná ztráta. Oscilátor spolehlivě kmitá pouze tehdy, pokud je součet Rtest a ESR_quartz menší než |-Rneg|.

Zvětšujeme-li Rtest postupně, nalezneme kritickou hodnotu Rtest_krit, při které oscilace právě začíná. Pak platí následující:

|-Rneg| = Rtest_krit + ESR_quartz

To znamená: Pomocí jediné přesně změřené hodnoty (Rtest_krit) a známého ESR použitého křemenného krystalu získáme přímo |-Rneg| oscilačního stupně v reálném provedení - včetně všech vlivů na uspořádání, teplotu a VCC.

Nastavení měření

Úprava obvodu

Do vedení mezi krystalem a jedním ze dvou kapacitních uzlů (obvykle na straně XOUT) se vloží přesný rezistor. Nejběžnější provedení:

• Na desce s plošnými spoji připravte podložku pro SMD rezistor 0402 nebo 0603 v sérii s C2 (v sériovém uspořádání je obvykle osazen hodnotou 0 Ω)
• U již vyrobených desek: Odřízněte stopu vodiče a vložte zásuvný rezistor přes malou drátěnou smyčku.
• Případně použijte přesný potenciometr se známou kalibrační křivkou (pozor: parazitní kapacita potenciometru může ovlivnit pracovní bod).

Vybavení

• Sada přesných rezistorů 0402 / 0603 v úzkých krocích: 0 / 10 / 22 / 47 / 68 / 100 / 150 / 220 / 330 / 470 / 680 / 1000 Ω, tolerance ±1 %
• Stanice pro jemné pájení a pinzeta pro rychlou výměnu
• Osciloskop s aktivní sondou FET na XOUT (pro kontrolu, zda oscilace skutečně začala)
• Kontrolovatelný napájecí zdroj (pro změnu VCC), volitelná teplotní komora

.

Dokonalost

1. Výstupní stav: Rtest = 0 Ω. Zapněte obvod, potvrďte oscilace na osciloskopu. Poznamenejte si amplitudu a dobu náběhu.
2. Zvyšujte Rtest postupně (např. 47 Ω → 100 Ω → 150 Ω → 220 Ω → ...). Po každé výměně: Obvod zcela vypněte, počkejte 5 s a poté jej zapněte.
3. Zkontrolujte, zda oscilátor začne kmitat. Ano/ne rozhodněte na základě amplitudy na XOUT po 100 ms (křemen MHz) nebo 2 s (křemen 32,768 kHz).
4. Provádějte nejméně 10 zapnutí na každý stupeň Rtestu - oscilace musí spolehlivě začít v každém jednotlivém testu.
5. Zaznamenejte nejvyšší hodnotu Rtest, při které se kmitání spolehlivě spustí ve všech 10 testech: Rtest_pass.
6. Zaznamenejte nejnižší hodnotu Rtest, při které se již kmitání spolehlivě nespustí: Rtest_fail.
7. Rtest_krit leží v tomto intervalu. Pro přesné hodnoty změřte mezistupně (např. mezi 220 Ω a 330 Ω: 240, 270, 300 Ω).
8. |Vypočítejte Rneg|: |-Rneg| = Rtest_crit + ESR_quartz.
   
   

Charakterizace pomocí teploty a VCC

|-Rneg| není konstantní, ale klesá s klesajícím VCC a - u mnoha MCU - s nízkou teplotou. Kompletní charakterizace se proto provádí pomocí měřicí matice:

Přibližná teplota v mm.

V nejhorším případě (obvykle Vmin a -40 °C) musí bezpečnostní rezerva výkyvu stále odpovídat cílové hodnotě návrhu (rezerva zesílení ≥ 5 nebo ≥ 10).

Příklad výpočtu

Příklad: 16 MHz křemen, ESR_max (datový list) = 40 Ω. Specifikace MCU: ESR_max povoleno = 60 Ω.

Výsledky měření v obvodu při teplotě +25 °C, Vnom:

Výsledek: Rtest_crit ≈ 300 Ω (nejvyšší hodnota se 100% úspěšností).

|-Rneg| = 300 Ω + 40 Ω = 340 Ω

Mezera zisku = 340 / 40 = 8,5

Hodnocení: Velmi komfortní rezerva při teplotě +25 °C. Výsledkem opakování při -40 °C / Vmin je Rtest_krit = 120 Ω → |-Rneg| = 160 Ω → Gain-Margin = 4,0. To splňuje průmyslový požadavek (≥ 3) a je těsně pod přísným požadavkem automobilového průmyslu (≥ 5). Pro schválení pro automobilový průmysl: Použijte krystal s nižším ESR nebo vyšší frekvencí, aby bylo i v nejhorším případě dosaženo gain-margin ≥ 5.

Druhá metoda: Měření impedance s vypnutým oscilátorem (analytická)

Analytickou alternativou je stanovení vstupní impedance vstupu oscilátoru v aktivním stavu, ale bez krystalu. To má smysl pouze v laboratorním prostředí se síťovým analyzátorem a v praxi se obvykle používá pouze u výrobců integrovaných obvodů pro charakterizaci datového listu.

Pro vývojáře v terénu zůstává metoda sériového odporu metodou volby: měří |-Rneg| přesně za reálných provozních podmínek, včetně všech vlivů uspořádání a prostředí.

Kritéria hodnocení výkyvné bezpečnostní rezervy

Opatření, která je třeba provést, pokud je rezerva příliš nízká

• Vyberte krystal s nižším ESR (technologie LRT) nebo případně s vyšší frekvencí.
• Zmenšete kapacitu zátěže CL (pokud to IC dovoluje) - menší CL obvykle vede k vyššímu |-Rneg|, ale také k vyšší citlivosti na přitažení v ppm/pF. V tomto případě by C1 a C2 měly být zvoleny s tolerancí ±1 %, zejména pro bezdrátové aplikace.
• Nastavte úroveň zesílení oscilátoru v registru MCU na vyšší úroveň (je-li konfigurovatelná)
• Zlepšete uspořádání: kratší vedení, vyhrazený ostrůvek GND, žádné signály pod krystalem
• Zmenšete C1 a C2 - snížíte kapacitní zátěž a zvýšíte |-Rneg| (omezení: stále musí být dodržena specifikace CL)

.

Další vývoj

Teoretické odvození záporného vstupního odporu, Barkhausenova počáteční podmínka a požadované bezpečnostní rezervy jsou podrobně popsány v praktické příručce "Optimální přizpůsobení krystalů integrovaným obvodům" (oddíly F.1 až F.4 a také 1 a 3). Tento příspěvek ukazuje konkrétní laboratorní měření - ústřední metodu, pomocí které si můžete tvrzení příručky ověřit na svém reálném návrhu.

<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.