Gyakorlati mérési módszerek a "Kvarckristályok optimalizálása IC-khez" című bejegyzéshez - F és F.3 szakaszok
Az enciklopédia cikkhez : A kristályok optimális illesztése az IC-khez
Miről van szó
Az ESR (ekvivalens soros ellenállás) a kvarckristály mechanikai és dielektromos veszteségeit jelenti. Ez az egyik legfontosabb paraméter a tranziens viselkedés szempontjából: Az alacsony ESR kisebb veszteségeket, nagyobb tranziens válasz megbízhatóságot, gyorsabb indítási időt és stabilabb rezgést jelent a hőmérséklet függvényében.</p
<p class="text-justify">AMCU-gyártók általában megadnak egy maximális ESR értéket az adatlapjukon (jellemzően 40-100 Ω a MHz-es kristályoknál, 30-90 kΩ a 32,768 kHz-es kristályoknál). Ha a kristály valós ESR-je ennél nagyobb, az oszcillátor nem fog megbízhatóan elindulni.
Ez a bejegyzés bemutatja, hogyan kell helyesen mérni az ESR-t az egy darabos és a mintás tesztelés során.
Mérési módszer A: Hálózati analizátor (IEC 60444-5, referencia-módszer)
A hálózatelemzés a referencia-módszer - pontos, reprodukálható és minden kvarc adatlap alapja. Kizárólag mérőlaboratóriumokban használják.
Készülékek
Vektorhálózati analizátor (VNA), pl. Keysight E5061B, Rohde & Schwarz ZNLE, vagy speciális kvarc teszthíd (Saunders 250C, Saunders 260)
π hálózati aljzat (kvarc-tesztfigura) az IEC 60444-5 szerint, meghatározott terhelhetőséggel
Pontos referencia és OSL kalibrálás a kvarc frekvenciatartományig
.
Eljárás
Kalibrálja a π hálózatot: Short-Open-Load-Through (SOLT) precíziós szabványokkal a célfrekvencián.
Tegye be a kristályt a tesztaljzatba. Az aljzat megfelelő terhelési kapacitást határoz meg a méréshez.
A meghajtási szintet állítsa be a kvarc adatlapján megadott mérési szintre (jellemzően 10 µW vagy 100 µW).
Végezze el az S21 átviteli mérést, keresse a soros rezonancia minimumát.
A rezonancia minimumánál lévő beiktatási veszteségből számítsa ki az ESR-t.
ESR = 2 - R₀ - ( 10^(-|S21|/20) - 1 ) (R₀ = 50 Ω nyitott π-hálózat esetén)
B mérési módszer: Aktív híd / Saunders-módszer (gyártási és minőségbiztosítási módszer)
A kereskedelmi forgalomban kapható kvarc mérőhidak (Saunders, TTi) közvetlenül mérik az ESR-t, a soros rezonanciafrekvenciát fs, a terhelés rezonanciafrekvenciáját fL és a mozgási paramétereket L1, C1, C0. Ezeket a beérkező áruk és a minőségbiztosítási vizsgálatok során használják.</p
<p class="text-justify">Előnye: az ESR közvetlen kijelzése ohmban, automatikus meghajtószint-szabályozás, mérési idő kristályonként néhány másodperc.
C-módszer: Áramkörön belüli becslés (terepi módszer, csak plauzibilitási ellenőrzésekhez)
Ha csak egy oszcilloszkóp áll rendelkezésre, akkor az ESR közvetett módon, a soros ellenállás módszerével szűkíthető. Ez a módszer elsősorban a tranziens válaszbiztonság meghatározására szolgál (lásd a -Rneg-ről szóló külön bejegyzést), és másodlagos eredményként az ESR felső becslését adja.
Az elv
Egy változó soros ellenállás Rtest a kristály és az egyik kapacitási csomópont (általában az XOUT oldal) közé van behurkolva. Az az ellenállásérték, amelynél a rezgés éppen leáll, megfelel a határértéknek:</p
<p class="text-centre">Rtest_max + ESR ≈ |-Rneg|
Ha |-Rneg| ismert az oszcillátor specifikációjából, akkor ebből meg lehet becsülni az ESR felső határértékét. Ez a módszer nem elegendő a pontos abszolút méréshez.
Típusos ESR-értékek
| Kvarc típusa | Frekvenciatartomány | ESR tipikus | ESR max (adatlap) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 32,768 kHz óra kvarc szabvány (tokverziótól függően) | 32,768 kHz | 35 - 65 kΩ | 70 - 90 kΩ | |||
| 32,768 kHz óra kvarc LRT-Low-ESR | 32,768 kHz | 40 - 45 kΩ | 50 kΩ | |||
| MHz kvarc SMD 3,2 × 2,5 mm | 8 - 50 MHz | 40 - 80 Ω | 100 Ω | |||
| MHz kvarc SMD 2,0 × 1,6 mm | 16 - 54 MHz | 60 - 120 Ω | 150 Ω | |||
| LRT kvarc SMD03025/4 | 8 - 60 MHz | 20 - 50 Ω | 80 Ω | |||
| LRT-Quartz SMD02016/4 | 16 - 60 MHz | 30 - 70 Ω | 100 Ω | |||
| MHz-es kvarc 5032 THT csomagban | 4 - 40 MHz | 20 - 40 Ω | 60 Ω |
Minősítési szabály
Ökölszabály a robusztus tervezéshez Ha az MCU egy maximális ESR_max_IC értéket ad meg, akkor a felhasznált kristály valós ESR értéke legfeljebb ennek az értéknek az 50-70 %-a lehet. Példa: Az MCU adatlapja szerint ESR_max = 70 Ω → kívánt kristály ESR 30 - 50 Ω. Ez tartalékot hagy a hőmérséklet- és öregedési driftre, az alkatrészek szórására és egy esetlegesen alacsony |-Rneg|. |
.
A hőmérséklet hatása az ESR-re
Az ESR alacsony hőmérsékleten magasabb. A 32,768 kHz-es kristályok esetében az ESR -40 °C-on a +25 °C-os érték 2-3-szorosára nőhet. MHz-es kristályok esetében a hőmérsékleti együttható jellemzően +10 - 20 % +25 °C és -40 °C között.
Ezért a következők érvényesek: A mérésnek és az adatlap értékelésének mindig a megadott hőmérsékleti tartományra kell kiterjednie.</p
| Kvarc | ESR +25 °C-on | ESR -40 °C-on (tip.) | Tényező | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 32,768 kHz alapértelmezett (verziótól függően) | 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 szabvány 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 |
Az ESR mérés gyakori hibái
Mérés helytelen meghajtási szint mellett: Az ESR meghajtásfüggő. Mindig tartsa be az adatlapon megadott mérési szintet.
A π hálózat hiányzó kalibrálása: 20-50 %-os szisztematikus hibákhoz vezet.
R1 és ESR keveredése: Az adatlapokon néha R1 (soros RLC-ág), néha ESR van megadva a terhelés rezonanciafrekvenciáján. Mindkettő némileg eltér egymástól (ESR ≈ R1 - (1 + C0/CL)²). Ellenőrizze, hogy melyik értékre gondol.
Körön belüli mérések az útvonalban szereplő parazita sávellenállások figyelembevétele nélkül.
LRT-technológia: Alacsony ESR alapfelszereltség
A PETERMANN-TECHNIK által szállított összes rezgőkristály az exkluzív LRT technológiát (Low ESR Resonator Technology) alkalmazza. Kialakításuknak köszönhetően ezek a kristályok nagyon alacsony ESR értékekkel rendelkeznek a teljes megadott hőmérsékleti tartományban, ami biztosítja, hogy az áramkör tervezője elegendő tranziens tartalékkal rendelkezzen még a modern, alacsony fogyasztású MCU-k gyenge oszcillátorfokozatai esetén is.
Bővebb információ
Az ESR jelentőségét a tranziens válasz szempontjából, valamint a negatív bemeneti ellenállással való összefüggést részletesen ismerteti a "Kristályok optimális hangolása IC-khez" című gyakorlati útmutató (F és F.3 szakasz). Ez a bejegyzés mérési gyakorlatot és konkrét határérték-ajánlásokat tartalmaz.</p
<p>Kérdései vannak a megvalósítással kapcsolatban
Frekvencia-szakértőink támogatják Önt a megfelelő kristály kiválasztásában, az áramkörében végzett mérésekben és a tervezéshez nyújtott támogatásban egészen a sorozatkiadásig.
- Kérjen műszaki tanácsot
- Beszélje meg velünk az alkalmazását
- Mintakristály meghatározása és megrendelése
- Kérjen alternatívát kereszthivatkozáson keresztül
.
Telefon: +49 8191 305395 Email: Megkeresés: Hívjon minket, ha van valami, amiben segíthetünk! info@petermann-technik.de
Az Ön sikere a mi célunk.
FAQs
Mi a kvarckristály ESR-je, és miért olyan fontos ez a tranziens viselkedés szempontjából?
Az ESR, azaz az egyenértékű soros ellenállás a kvarckristály mechanikai és dielektromos veszteségeit írja le. Ez az egyik legfontosabb paraméter az oszcillátor tranziens viselkedése szempontjából, mivel az alacsony ESR kisebb veszteségeket és ezáltal nagyobb tranziens stabilitást jelent. Ezenkívül az alacsony ESR javítja az indítási időt és stabilabb oszcillációt biztosít a teljes hőmérséklettartományban. Ha a valós ESR meghaladja az MCU gyártója által megadott maximális értéket, az oszcillátor nem indul megbízhatóan. Az ESR-t ezért mindig az oszcillátor áramkörével és az adatlapon szereplő határértékekkel együtt kell értékelni.
Hogyan mérhető helyesen egy kvarckristály ESR-je hálózatelemzővel?
Az ESR-mérés referencia-módszere az IEC 60444-5 szabvány szerinti hálózatelemzés vektorhálózati analizátorral vagy speciális kvarc mérőhíddal. Ehhez egy kalibrált π hálózatot használnak meghatározott terhelési kapacitással, amelybe a kvarckristályt illesztik. A szisztematikus hibák elkerülése érdekében a mérés előtt pontos SOLT-kalibrációra van szükség a célfrekvencián. Ezután az adatlapon megadott meghajtószintet kell beállítani, jellemzően 10 µW vagy 100 µW, és az S21 átviteli mérést kell elvégezni. Az ESR reprodukálhatóan kiszámítható a rezonancia-minimumon mért beiktatási veszteségből, ami ezt a módszert a professzionális kvarc adatlapok alapjává teszi.
Mik a MHz-es kristályok és a 32,768 kHz-es kristályok tipikus ESR-határértékei?
Az MCU-gyártók adatlapjaikon általában megadják a használt kristály maximálisan megengedett ESR értékét. MHz-es kristályok esetében a tipikus határértékek általában 40 és 100 ohm közöttiek. A 32,768 kHz-es kristályok esetében ennél lényegesen magasabb értékek is gyakoriak, jellemzően 30 és 90 kOhm körül. Mindig döntő fontosságú, hogy a kristály valós ESR értéke az oszcillátorfokozat maximálisan megengedett értéke alatt maradjon. Csak így biztosítható a megbízható indítási viselkedés valós üzemi körülmények között is.
Lehetséges-e ellenőrizni egy kvarckristály ESR-jét hálózatelemző nélkül?
Ha nem áll rendelkezésre hálózati analizátor, az ESR közvetett módon, a soros ellenállás módszerével szűkíthető le. Ennek során egy változtatható soros ellenállást helyezünk a kristály és egy kapacitív csomópont közé, általában az XOUT oldalon. Az az ellenállásérték, amelynél a rezgés éppen megáll, az ismert negatív bemeneti ellenállással együtt lehetővé teszi az ESR felső becslését. Ez a módszer elsősorban a tranziens válasz biztonságának értékelésére szolgál, nem pedig pontos abszolút mérésre. A pontos és reprodukálható ESR-értékek eléréséhez ezért jobb választás a hálózatelemzéssel végzett laboratóriumi vizsgálat vagy a kvarc mérőhíd.
Mely hibaforrások torzítják leggyakrabban a kvarckristályok ESR-mérését?
A hiba gyakori forrása a helytelen meghajtási szint, mivel az ESR meghajtásfüggő, és mindig az adatlapon megadott mérési szinten kell meghatározni. Ugyanilyen kritikus a π-hálózat kalibrálásának hiánya, mivel ez 20-50 százalékos szisztematikus mérési hibát eredményezhet. Ezenkívül a gyakorlatban gyakran összekeverik az R1 motorellenállást és az ESR-t, bár a két érték nem azonos, és a C0 és a terhelés kapacitásától függően különbözik. Az áramkörön belüli mérések a parazita pályaellenállások figyelembevétele nélkül szintén könnyen hamisított eredményekhez vezetnek. Ezenkívül figyelembe kell venni a megadott hőmérsékleti tartományt, mivel az ESR alacsony hőmérsékleten jelentősen megnőhet.
Miért kell a PETERMANN-TECHNIK-nek tesztelnie a kvarckristály ESR-jét?
A PETERMANN-TECHNIK kvarckristályokra, oszcillátorokra és frekvenciameghatározó alkatrészekre specializálódott, és gyakorlati támogatást nyújt az ügyfeleknek az ESR értékeléséhez. A szállított kvarckristályok az exkluzív LRT technológiát alkalmazzák, amely nagyon alacsony ESR-értékeket tesz lehetővé a teljes meghatározott hőmérsékleti tartományban. Ez további lengéstartalékot teremt, különösen a gyengébb oszcillátorfokozatokkal rendelkező modern, alacsony fogyasztású MCU-k esetében. Ezen kívül a frekvencia szakértők támogatják az ügyfeleket a valós áramkörben végzett mérésekkel, az alkatrészek kiválasztásával és a sorozatfelszabadításig. Ez azt jelenti, hogy az ipari felhasználók nem csak egy kvarckristályt kapnak, hanem egy műszakilag megalapozott megoldást a megbízható indítási viselkedéshez és a stabil működéshez.
