Praktické metody měření pro příspěvek "Optimalizace křemenných krystalů pro integrované obvody" - oddíl B
K článku v encyklopedii : Optimální přiřazení krystalů k integrovaným obvodům
O čem to celé je
Zátěžová kapacita CL definuje pracovní bod křemenného krystalu, a tedy jeho skutečnou frekvenci v obvodu, známou také jako pracovní frekvence. Každý krystal je ořezán na určitou CL (typicky 6 pF, 8 pF, 12 pF, 16 pF, 18 pF nebo 20 pF pro křemenné krystaly MHz / 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF a 12,5 pF pro hodinové krystaly 32,768 kHz). Pokud se specifikace CL krystalu a efektivní kapacita zátěže obvodu neshodují, dochází k systematickému frekvenčnímu posunu - často v rozsahu několika ppm až několika desítek ppm.
Tento praktický příspěvek ukazuje, jak lze efektivní kapacitu zátěže zkontrolovat a ověřit v reálném obvodu.</p
<h2>Fyzikální pozadí
Efektivní kapacita zátěže, kterou krystal "vidí" v obvodu, vyplývá ze sériového zapojení dvou vnějších kapacit C1 a C2 plus parazitních kapacit (bludných).
CL_eff = (C1 - C2) / (C1 + C2) + Cstray
Cstray se skládá z kapacity vývodů IC, kapacity dráhy a kapacity podložky. Typické směrné hodnoty v reálném rozložení jsou 2 pF - v kompaktních, rozložením optimalizovaných návrzích někdy jen 1 pF, v nepříznivých rozloženích nebo při kapacitách vývodů IC až 7 pF odpovídajícím způsobem vyšší.
Proč nestačí pouhý výpočet
Výpočet z datového listu poskytuje dobrou výchozí hodnotu, ale není zárukou. Odchylky vznikají v důsledku:
- Sériový rozptyl kapacity vývodů integrovaného obvodu (typicky ±30 %)
- Varianty uspořádání (délky stop, počet vrstev, počet průchodek, blízkost k zemním rovinám)
- Výrobní tolerance kondenzátorů obvodu (C0G/NP0 typ. ±5 %, standardní ±10 %, ±1 % pro přesné aplikace, např. vyžadované v rádiových aplikacích)
- Závislost kapacity vývodů na teplotě a napětí
Ověření v reálném obvodu je proto povinné, pokud je důležitá přesnost frekvence (bezdrátové připojení, USB, Ethernet, časovač).
Metoda měření A: Frekvenční metoda (doporučená v sérii)</h2
<h3>Princip měření
Měří se skutečná frekvence běžícího obvodu a porovnává se se zadanou jmenovitou frekvencí. Z odchylky frekvence lze zpětně vypočítat efektivní zatížitelnost.</p
<h3>Potřebné vybavení
Čítač frekvence s rozlišením ≥ 0,1 ppm a referencí GPS nebo OCXO (např. Keysight 53230A, Pendulum CNT-90)
Sonda aktivní, nízkokapacitní (< 1 pF, např. sonda FET), např. sonda FET. FET sonda), aby nedošlo ke zkreslení měření
Teplotní komora doporučuje se pro referenční měření při +25 °C ±1 °C
.
Provedení
Zprovozněte obvod při teplotě +25 °C a jmenovitém napětí. Nechte jej zahřát alespoň 60 s.
Odposlechněte XOUT (výstup oscilátoru) pomocí nízkokapacitní sondy. Nedotýkejte se XIN - zde sonda nejvíce narušuje pracovní bod.
Zprůměrujte frekvenci za ≥ 10 s doby hradla a zaznamenejte: fmess.
Vypočítejte odchylku: Δf/f = (fmess - fnenn) / fnenn - 10⁶ [ppm]
Vypočítejte efektivní CL zpět z Δf/f (viz vzorec níže).
.
Přepočítejte CL z Δf/f
Aproximační vzorec (platný v obvyklém rozsahu kolem CL_spec):
Δf / f ≈ - C1_motional / (2 - (C0 + CL_eff)²) - (CL_eff - CL_spec)
Při typických parametrech křemíku (C1_motional ≈ 3 fF, C0 ≈ 1 pF) platí následující praktické pravidlo:
ΔCL [pF] ≈ Δf/f [ppm] - (CL_spec + C0)² / (C1_motional - 10⁶ / 2)
Jednodušší a přesnější postup: Z datového listu křemene odečtěte citlivost na tah (obvykle -15 až -25 ppm/pF) a použijte ji k převodu.
ΔCL = Δf/f / S (S = citlivost tahu v ppm/pF)
Měřící metoda B: Variační metoda (k určení Cstray)
Tato metoda je nejpřesnější variantou, pokud se má určit parazitní kapacita obvodu:
Nastavte C1 a C2 na symetrickou zkušební hodnotu (např. 12 pF každý, C0G ±2 %).
Změřte frekvenci f1.
Přepněte C1 a C2 na druhou hodnotu (např. 22 pF každý). např. 22 pF každý), změřte frekvenci f2.
Cpar a efektivní kapacitu zátěže lze analyticky vyřešit ze dvou měřicích bodů.
Vhodný pro počáteční ladění vzorků, protože charakterizuje i uspořádání a zjištěné hodnoty Cpar lze opakovaně použít pro podobná uspořádání.
Typické hodnoty a meze přijatelnosti
| Kritérium | Zelená plocha | Ohodnocení / měření |
|---|---|---|
| |Δf/f| při +25 °C | < 5 ppm | V pořadí |
| |Δf/f| při +25 °C | 5 - 15 ppm | Nastavení C1/C2 |
| |Δf/f| při +25 °C | > 15 ppm | kontrolujte variantu CL, určete Cpar |
| Rozdíl XIN / XOUT | < 2 ppm | Symetrické rozložení |
| Cpar (z variační metody) | 1 - 3 pF | Typický normální rozsah |
| Cpar | > 5 pF | Kontrola uspořádání (krátké vodiče, žádná oblast GND pod křemenem) |
Příklad výpočtu
Kvarc: 26 000 MHz, CL_spec = 8 pF, citlivost tahu S = -18 ppm/pF.
Měření v obvodu: fmess = 26 000 234 MHz → Δf/f = +9 ppm.
ΔCL = +9 ppm / (-18 ppm/pF) = -0,5 pF
Interpretace: Efektivní kapacita zátěže je o 0,5 pF nižší než cílová. Náprava: Mírně zvětšete C1 a C2. Při C1 = C2 způsobí +1 pF na kondenzátor ≈ +0,5 pF při CL_eff - tj. zvýšení o +1 pF na každý z nich.
Praktická poznámka Pro aplikace s vysokou dlouhodobou přesností (např. vedení v pásmu ISM) se doporučuje použít tzv. např. bezdrátové pásmo ISM, LoRaWAN, přesná časová základna), doporučujeme pro C1 a C2 kondenzátory C0G/NP0 s tolerancí 1 %. Tím se omezí dominantní vnější vlivy na CL_eff na rozptyl < 0,1 pF. Neměřte aktuální frekvenci přímo na vývodu XIN. Kapacitní vstup sondy okamžitě zfalšuje výsledek o několik ppm. Lepším měřicím bodem je XOUT nebo navazující pin IC. Nejlépe je zkontrolovat datový list IC, zda lze frekvenci vyvést přes samostatný pin. V takovém případě lze měřit pracovní frekvenci krystalu bez ovlivnění testovacího zařízení/sond. |
.
Další informace
Zde použitý vzorec a vztahy mezi CL, C1, C2 a parazitními kapacitami jsou podrobně popsány v praktické příručce "Optimální přizpůsobení křemenných krystalů integrovaným obvodům" (části B a C). Tento příspěvek doplňuje příručku o konkrétní postupy měření.</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.
