Gyakorlati mérési módszerek a "Kvarckristályok optimalizálása IC-khez" című bejegyzéshez - C és 5. szakaszok
Az enciklopédia cikkhez : A kristályok optimális illesztése az IC-khez
Miről van szó:
A Pierce-oszcillátoron lévő két külső áramköri kondenzátor C1 és C2 az áramkör parazita kapacitásaival (kóbor) együtt határozza meg az effektív terhelési kapacitást. Az adatlapról vett egyszerű képletérték általában nem elegendő, mivel minden áramköri lapnak egyedi szórása van. Ez a bejegyzés bemutatja, hogy a C1 és C2 hogyan van helyesen méretezve és ellenőrizve az áramkörben.
A méretezés kezdeti képlete
Szimmetrikus bekötés esetén (C1 = C2 = CX) a következők érvényesek:
CL = CX / 2 + Cstray ⇒ CX = 2 - (CL - Cstray)
A következő ökölszabály sok adatlapon kiinduló értékként szerepel (CL és CX pF-ben):
CX = 2 - CL - 2 - Cstray (Cstray tip. 2 pF)
Az eredeti cikkből a következő eredmények CL = 12 pF esetén: 2-12 - 2-2 = 20 pF. 2 pF átlagos szórással a lexikonban szereplő számítási példa (18 pF oldalanként) azonos effektív működési ponthoz vezet - az IC tényleges pin-kapacitásától függően.
1. lépés: Számítsa ki a kiindulási értéket az adatlapról
A méretezés mindig két adatlapi értékkel kezdődik:
- A kristály CL értéke (pl. 8 pF, 12 pF, 16 pF, 20 pF)
- Az IC kapacitív terhelése a XIN/XOUT-on (általában 1 - 7 pF pinenként; általában az MCU adatlapján "CIN/COUT" vagy "CLoad" néven van megadva)
.
| Quartz-CL | Cstray (tip.) | CX kezdőérték C1/C2 | Tartomány | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 6 pF | 2 pF | 8 pF | 7 - 12 pF | ||
| 8 pF | 2 pF | 12 pF | 10 - 15 pF | ||
| 10 pF | 2 pF | 16 pF | 15 - 18 pF | ||
| 12 pF | 2 pF | 20 pF | 18 - 22 pF | ||
| 12.5 pF | 2 pF | 21 pF | 18 - 22 pF | ||
| 16 pF | 2 pF | 28 pF | 22 - 30 pF | ||
| 20 pF | 2 pF | 36 pF | 33 - 39 pF | ||
Fontos a méretezés előtt Nézze meg az MCU adatlapján, hogy a gyártó milyen pin-kapacitást ad meg a XIN/XOUT számára. Néhány modern, alacsony fogyasztású MCU-nál szándékosan akár 7 pF-ig megnövelt pin-kapacitást alkalmaznak, másoknál csak 1-2 pF-ot. A tényleges értékkel számoljon, ne az ökölszabállyal. | |||||
2. lépés: Határozza meg a nyomtatott áramkör szórását (variációs módszer)
A céllapon a Cstray-t két frekvenciaméréssel határozzuk meg különböző C1/C2 értékek mellett. Ez a legegyszerűbb és legmegbízhatóbb laboratóriumi módszer.</p
<h3 class="text-justify">Mérési beállítás
Két C0G/NP0 kondenzátor-készlet (±2 %) jelentősen eltérő értékekkel, pl. 10 pF és 22 pF
Frekvenciaszámláló ≥ 0,1 ppm felbontással külső referenciával
Kis kapacitású FET-szonda (< 1 pF)
.
Implementáció
1. illesztés: C1 = C2 = C_A (pl. 10 pF) → f_A frekvencia mérése.
2. illesztés: C1 = C2 = C_B (pl. 22 pF) → f_B frekvencia mérése.
Mindkét frekvenciát a névleges frekvenciától való eltérésként fejezzük ki: Δf_A, Δf_B ppm-ben.
Meghatározni a szórást az egyenletrendszerből.
Az egyenlet kiszámítása
A két mérésből az S húzási érzékenység és a Cstray parazita kapacitás következik:
S = (Δf_B - Δf_A) / (CL_B_eff - CL_A_eff) [ppm/pF]
Hol CL_eff = CX/2 + Cstray. A megadott húzási érzékenység (a kristály adatlapjáról) és a Cstray szerinti felbontás egyenlővé tétele egyedi értéket eredményez. A gyakorlatban a fejlesztők általában egy kis Excel-táblázatot vagy egy MCU-gyártói alkalmazást használnak erre a célra.
3. lépés: Az effektív kapacitás áramkörön belüli mérése
Nagyon elegánsan és forrasztás nélkül: Az XIN (vagy XOUT) és GND közötti kapacitást kikapcsolt állapotban egy precíz LCR-mérővel mérjük.
Mérési eljárás
- Tápfeszültség 0 V, az áramkör teljesen feszültségmentes.
- A kristályt forrasztja le (vagy ne szerelje fel) - csak C1, C2, IC-tű és a mérési útvonalban lévő nyomvonalak.
- Mérje meg a XIN → GND és XOUT → GND kapacitást LCR-mérővel (1 MHz-es mérőjel, ≤ 100 mV).
- A mért értékeknek meg kell felelniük a számított CX értékeknek + 1...3 pF (IC pin).
.
Vigyázat az LCR-mérésnél Az IC pin kapacitása feszültségfüggő. A kikapcsolt állapotban végzett LCR-mérés ezért nem adja meg a pontos működési értéket. Precíziós tervezés esetén a frekvenciamódszer (2. lépés) a megbízhatóbb referencia. |
4. lépés: A szimmetria ellenőrzése
A szimmetriátlan bekötés (C1 ≠ C2) rontja az indítási viselkedést és a meghajtószint-eloszlást. A gyakorlatban azt javasoljuk:
| Paraméterek | Célérték | Határérték | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Eltérés C1-től C2-ig | ≤ 2 % | ≤ 5 % | |||
| Tolerancia C0G (NP0) | ±2 % | ±5 % | |||
| Tolerancia standard kerámia X7R | nem ajánlott | - | |||
| Feszültségi együttható | ≤ 1 % V-működésnél | - |
| Népesség | C1 = C2 | mért frekvencia | Δf/f | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Mérés A | 10 pF | 24,000 042 MHz | +1.75 ppm | ||
| Mérés B | 22 pF | 23.999 928 MHz | -3.00 ppm |
A két elhelyezés között a CX/2 (22-10)/2 = 6 pF értékkel változik. A mért frekvenciaváltozás -4,75 ppm → S_measured = -0,79 ppm/pF - (1/6) = valójában körülbelül -19,8 ppm/pF, ami megfelel az adatlapnak.
Mivel Δf_A = +1,75 ppm CX = 10 pF mellett: CL_eff_A = 10/2 + Cstray = 5 + Cstray. Δf = S - (CL_eff - CL_spec) értékből következik CL_eff_A ≈ 8 - (1,75/-20) = 7,91 pF → Cstray ≈ 2,9 pF.
Eredmény: Az áramköri lap Cstray ≈ 2,9 pF. A célérték CX = 2-(8 - 2,9) = 10,2 pF. A 10 pF ±2%-os összeszerelés tehát majdnem pontosan a célértéknek felel meg.
Bővebb információ
A képleteket és a CL, C1/C2 és Cstray közötti kapcsolatot a "Kvarckristályok optimális illesztése IC-khez" című gyakorlati útmutatóban (B, C és 5. szakasz) találja. Ez a bejegyzés a laboratóriumi mérést mutatja be, amellyel a számítás összehasonlítható a valós NYÁK-on.
Kérdései vannak a megvalósítással kapcsolatban
Frekvencia szakértőink támogatják Önt a megfelelő kvarc kiválasztásában, az Ön áramkörében végzett mérésekkel és a tervezéssel kapcsolatos támogatással egészen a sorozatkiadásig.
- Kérjen műszaki tanácsot
- Beszélje meg velünk az alkalmazását
- Mintakristály meghatározása és megrendelése
- Kérjen alternatívát kereszthivatkozáson keresztül
.
info@petermann-technik.de
Az Ön sikere a mi célunk.
FAQs
Hogyan kell helyesen méretezni a Pierce-oszcillátor C1 és C2 külső kapacitásait?
A C1 és C2 méretezése a kvarc szükséges terhelési kapacitásától CL és a valós áramkör Cstray parazita kapacitásától függ. A C1 = C2 = CX szimmetrikus bekötés esetén a CL = CX / 2 + Cstray összefüggés érvényes, ami CX = 2 - (CL - Cstray). A gyakorlatban gyakran nem elegendő a puszta adatlapi érték, mivel a NYÁK, az IC csapjai és az elrendezés is befolyásolja a tényleges terhelési kapacitást. Gyakran használnak kiindulási értékként egy tipikusan 2 pF körüli Cstray-t, de a tényleges tervezést a céllapon kell ellenőrizni. Így a kristály a megadott működési pontjához közelebb működtethető, és javítható a frekvencia pontossága.
Miért olyan fontos a Cstray a kvarcáramköri kondenzátorok tervezésénél?
A Cstray az áramkör parazita kapacitásait írja le, amelyek a C1 és C2 külső kondenzátorokon kívül a kvarc terhelési kapacitására is hatnak. Ezek közé tartoznak az XIN és XOUT bemeneti kapacitásai, a sávkapacitások és az elrendezés hatásai. Ha a Cstray-t nem veszik megfelelően figyelembe, akkor az effektív terhelési kapacitás és így az oszcillátor frekvenciája is eltolódik. Éppen ezért sok esetben nem elegendő az adatlapról történő tisztán elméleti számítás. Csak a tényleges nyomtatott áramkör figyelembevételével lehet megbízható kristályáramkört tervezni.
Hogyan lehet megbízhatóan meghatározni a Cstray parazita kapacitást a NYÁK-on?
Egyszerű és megbízható laboratóriumi módszer a variációs módszer, amely a C1 és C2 két különböző szimmetrikus konfigurációját alkalmazza. Például 10 pF és 22 pF C0G/NP0 kondenzátorokat használnak, és az így kapott frekvencia eltérést a névleges frekvenciától ppm-ben mérik. A Cstray egyértelműen meghatározható a két mérési pontból és a kristály húzási érzékenységéből az adatlapról. Alternatív megoldásként az XIN vagy XOUT és GND közötti kapacitás feszültségmentes állapotban mérhető egy pontos LCR-mérővel. Mindkét módszer segít jobban meghatározni az áramkör valós terhelési kapacitását, és ennek megfelelően beállítani a kondenzátorértékeket.
Milyen mérőberendezésekre és alkatrészekre van szükség a Cstray meghatározásához és a C1/C2 ellenőrzéséhez?
A variációs módszerhez két, jó minőségű, jelentősen eltérő értékű C0G/NP0 kondenzátor-készletre van szükség, például 10 pF és 22 pF. Ezenkívül egy legalább 0,1 ppm felbontású frekvenciaszámláló és egy külső referencia hasznos a kis frekvenciaváltozások megbízható rögzítéséhez. Az oszcillátoron végzett mérésekhez alacsony kapacitású, 1 pF-nél kisebb FET-szondát kell használni, hogy az áramkört ne terheljük feleslegesen. A kapacitás áramkörön belüli vizsgálatára egy pontos LCR-mérő alkalmas, ideális esetben 1 MHz-es mérőjellel és alacsony mérési feszültséggel. Ezzel a berendezéssel a kvarcáramkör számítási és valós viselkedése tisztán összehasonlítható egymással.
Miért kell a kristálykörnek a lehető legszimmetrikusabbnak lennie C1 = C2-vel?
A C1 és C2 azonos értékű szimmetrikus áramkör biztosítja a Pierce-oszcillátor meghatározott és könnyen kiszámítható terhelési kapacitását. Ez lehetővé teszi a tervezési képlet közvetlen alkalmazását, és egyszerűsíti a kvarc meghatározott CL értékére történő hangolást. A C1 ≠ C2-vel nem kiegyensúlyozott áramkörök ronthatják az indítási viselkedést, és kedvezőtlenül befolyásolhatják a meghajtószint eloszlását. Ez negatív hatással lehet az oszcillátor stabilitására, frekvenciaválaszára és megbízhatóságára. A gyakorlatban ezért a legtöbb esetben a szimmetrikus kialakítás az előnyben részesített megoldás.
Miért a PETERMANN-TECHNIK méretezi a külső C1/C2 kapacitásokat és határozza meg a Cstray-t?
A PETERMANN-TECHNIK támogatja a fejlesztőket a kristályáramkörök valós NYÁK-okon történő precíz tervezésében, ötvözve az adatlapok ismeretét a gyakorlati méréstechnikával. Ez különösen fontos, mivel a C1, C2 és Cstray együttesen határozzák meg az effektív terhelési kapacitást és ezáltal a tényleges frekvenciát. A vállalat támogatja az ügyfeleket a megfelelő kvarc kiválasztásában, az áramkörben végzett mérésekben és a verifikációban egészen a sorozatkiadásig. Ez az alkalmazásorientált támogatás csökkenti a tervezési folyamat során az eltéréseket, a felesleges iterációkat és a frekvenciaeltéréseket. Az ipari B2B alkalmazások esetében a PETERMANN-TECHNIK ezért a rugalmas, frekvenciastabil oszcillátor megoldások kompetens partnere.
