Optimální přizpůsobení krystalů integrovaným obvodům

Aby krystalový oscilátor (oscilační krystal v oscilačním stupni integrovaného obvodu) kmital stabilně, přesně a spolehlivě, musí být použitý krystal optimálně přizpůsoben požadavkům příslušného integrovaného obvodu.

Rozhodujícími faktory jsou zde kapacity zátěže, přechodové podmínky, úroveň buzení (křemenný proud) a faktory uspořádání na desce plošných spojů.

Tento článek kompaktně a prakticky vysvětluje, jak správně naladit krystalový generátor hodin a které chyby se v praxi vyskytují obzvlášť často.

Krystaly jsou součástky určující frekvenci, jejichž přesnost je velmi závislá na jejich elektrickém prostředí. Výrobci mikrokontrolérů obvykle specifikují

• požadovanou kapacitu zátěže (CL)
• přípustnou úroveň buzení
• požadovaný čas spuštění
• topologie oscilátoru a vnitřní zesílení

Pouze pokud tyto parametry odpovídají krystalu, bude oscilátor pracovat v rámci svých tolerancí a splní požadavky na časování, jako jsou bezdrátové sítě, USB, CAN, Ethernet, přenosové rychlosti UART atd.

Zátěžová kapacita určuje pracovní bod oscilační frekvence. Každý krystal je trimován na určitou CL (např. 8 pF, 12 pF, 16 pF).

Efektivní kapacita zátěže vyplývá z:

Vnější kapacity C1 a C2 jsou zvoleny tak, aby:

Úroveň pohonu (obvykle 1-200 µW) udává, jaký výkon křemen trvale snese.

Příliš vysoká úroveň pohonu vede k

• zvýšenému stárnutí a driftu
• zvýšené frekvenční stabilitě
• zvýšení sériového rezonančního odporu
• poruchy způsobené prasklinami v křemenné destičce.

Příliš nízká úroveň pohonu způsobuje

• nespolehlivé spouštění
• Zvýšené hodnoty jitteru

Integrované obvody oscilátorů obvykle udávají typickou a maximální úroveň buzení; doporučuje se měření.

Vzhledem k tomu, že konstrukce rezonátorů pro námi dodávané krystaly SMD jsou vyvíjeny ve vlastní režii, můžeme dodávat také krystaly oscilátorů MHz s vysokou stabilitou úrovně pohonu v malých keramických pouzdrech. Miniaturní křemen s nízkým ESR řady SMD03025/4 do 500 µW nebo ultra-miniaturní MHz křemen řady SMD02016/4 do 400 µW.

Čas zahájení závisí na:

• Zisk oscilátoru v integrovaném obvodu
• ESR (ekvivalentní sériový odpor) křemíku
• zatěžovací kapacitě křemenného oscilátoru
• hodnotách kapacit vnějších obvodů
• teplotě a napájecím napětí

Nadměrné hodnoty CL často výrazně prodlužují dobu náběhu → problematické pro nízkopříkonové MCU s cykly spánku.

Vliv ESR

• přechodové chování a přechodovou stabilitu
• Spotřeba energie
• Přechodové chování při nízkých křemenných proudech

Mnoho integrovaných obvodů udává maximální ESR (např. 70 Ω). Pokud je křemen vyšší než tato hodnota, oscilátor se nemůže bezpečně spustit.

Pro krystaly platí následující:

• Umístěte krystal + kondenzátory co nejblíže k IC.
• Krátké, symetrické stopy
• žádné signály nebo zemnící roviny přímo pod krystalem - snižuje parazitní kapacitu
• Vyhrazený GND ostrůvek pro kondenzátory
• Pokud je to možné, připojte krystal k GND (u našich oscilačních krystalů SMD v keramickém pouzdře lze pady č. 2 a 4 připojit k GND. Krystal však připojte k GND okamžitě a neměňte jej pro ladění frekvence v obvodu.

Tato opatření zlepšují EMC, jitter a chování při rozběhu.

• Nesprávná volba CL → Chyba frekvence
• Krystal s příliš vysokým ESR → Nespouští se spolehlivě
• Překročení úrovně pohonu → silný drift krystalu
• Špatné uspořádání → Nestabilní oscilace
• Nesprávné zohlednění parazitních kapacit

Optimální sladění krystalu s integrovaným obvodem má zásadní význam pro spolehlivost oscilátoru a dlouhodobý provoz krystalového rezonátoru v obvodu (sladění úrovně napájení). Díky správné kapacitě zátěže, správné úrovni řízení, vhodnému ESR a dobrému uspořádání mohou vývojáři zajistit stabilní referenční kmitočet.

Přehled

Uvedená schémata popisují fyzikální a elektrické mechanismy, které určují spouštění a provozní chování křemenného stabilizovaného Piercova oscilátoru. Zaměřují se zejména na

• záporný vstupní odpor stupně oscilátoru,
• ztrátový model křemenného krystalu (ESR),
• startovací podmínky podle Barkhausenova kritéria,
• časovou strukturu úrovně pohonu,
• parazitních kapacitách a
• ovlivňující faktory související s uspořádáním.

Tyto parametry jsou rozhodující pro bezpečnostní rezervu při zapnutí, dobu zapnutí, přesnost frekvence, jitter a dlouhodobou stabilitu.

(obrázek vlevo nahoře)

Toto schéma znázorňuje klasický obvod Pierceova oscilátoru, který je integrován ve většině mikrokontrolérů a obvodů ASIC. Piercův oscilátor je založen na invertujícím zesilovači, který je nucen pracovat lineárně pomocí zpětné vazby přes křemenný krystal. V tomto pracovním bodě lze vstupní stupeň popsat malosignálovým ekvivalentním modelem se zápornou reálnou částí impedance.

Matematicky platí následující:

(obrázek nahoře uprostřed)

Tento obrázek ukazuje křemenný krystal se dvěma externími kondenzátory C₁ a C₂.

Elektricky lze křemen popsat sériovým prvkem RLC_(R1, _L1,_C1) s paralelní kapacitou obalu _C0. Ekvivalentní sériový odpor ESR (Equivalent Series Resistance ) představuje mechanické ztráty oscilačního systému.

Vnější zapojení s C₁ a C₂ definuje efektivní kapacitu zátěže:

(obrázek vpravo nahoře)

Nutná počáteční podmínka vyplývá z Barkhausenova kritéria:

• Zisk smyčky ≥ 1
• Fázový posun = 0° (nebo 360°)

(diagram vlevo dole)

Tato křivka ukazuje nárůst amplitudy kmitání v průběhu času po zapnutí.

Po zapnutí začíná oscilátor v oblasti šumu. Amplituda oscilací roste exponenciálně v souladu s:

(obrázek dole uprostřed)

Parazitní kapacity jsou způsobeny

• vývody integrovaného obvodu (obvykle 1 - 3 pF)
• vodivé stopy (≈ 0,5 - 2 pF)
• Pájecí plošky a pouzdro

Tyto kapacity:

• zvyšují efektivní kapacitu zátěže
• snižují velikost -Rneg
• posunou optimální pracovní bod

Zvláště kritické jsou konstrukce s nízkým specifikovaným CL, protože parazitní efekty zde mají silný procentuální vliv. V aplikacích napájených z baterií jsou krystaly SMD s nízkými zatěžovacími kapacitami obvykle specifikovány příslušnými výrobci integrovaných obvodů. MHz krystal typ. 8 pF. 32,768 kHz krystal do 4 pF. V takových aplikacích je vhodné zvolit toleranci externích kapacit obvodu C₁ a C₂ max. 1 %. Tím lze výrazně omezit parazitní vlivy na pracovní frekvenci křemene.

Technický význam:

• Parazitní kapacity nechtěně zvyšují efektivní kapacitu zátěže.
• Ovlivňují frekvenci krystalu, dobu přechodové odezvy a spolehlivost a také zápornou odporovou rezervu.
• Zvláště kritické jsou u krystalů s nízkým CL (< 10 pF).

Klíčové sdělení:
Při dimenzování zátěžových kondenzátorů/kapacit vnějších obvodů je třeba vždy brát v úvahu parazitní kapacity.

(obrázek vpravo dole)

Tento schematický obrázek ukazuje doporučené zásady uspořádání. Uspořádání desky plošných spojů má větší vliv na chování krystalů v obvodu, než se často předpokládá.

Technický význam:

• Připojte krystal a zátěžové kondenzátory v těsné blízkosti integrovaného obvodu.
• Krátké, symetrické stopy
• Žádné signály nebo zemnící roviny pod krystalem.
• Vyhrazené, čisté zemní vedení

Klíčové sdělení:
Špatné uspořádání může způsobit, že i optimálně zvolený krystal bude nepoužitelný.

Obrázek ilustruje, že funkce krystalového oscilátoru závisí nejen na samotném krystalu, ale také na interakci mezi oscilátorem IC, ESR, kapacitou zátěže, parazitními efekty a uspořádáním.

Pro robustní konstrukci oscilátoru musí být splněny následující podmínky:

• Křemen ss nízkým ESRvyberte
• aby byla zajištěna dostatečná rezerva záporného odporu
• realisticky vypočítejte zatěžovací kapacitu
• Důsledně optimalizujte rozložení
  .

Klíčové sdělení:

Křemen by měl nejen splňovat specifikaci IC, ale měl by být výrazně nižší, aby spolehlivě kompenzoval vlivy procesu, teploty a stárnutí.

Nebo jednoduše zavolejte našim specialistům. Poskytneme vám plnou podporu při návrhu. Váš úspěch je naším cílem!