Circuito di cristalli oscillanti a MHz

Oscillatore Pierce: dimensionamento, capacità di carico e ottimizzazione EMC

1 Introduzione e obiettivo

I cristalli oscillanti (risonatori al quarzo) sono l'elemento di riferimento di frequenza preferito in un'ampia gamma di applicazioni. La loro eccellente stabilità di frequenza e le dimensioni ridotte li rendono indispensabili, a condizione che il circuito circostante sia dimensionato correttamente.

Questa nota applicativa tratta il cablaggio pratico dei cristalli oscillanti a MHz in un classico circuito oscillatore Pierce.

L'attenzione si concentra su

• Funzione e selezione della resistenza seriale R_S
• Calcolo e selezione delle capacità di carico C1 / C2
• Garanzia di una risposta transitoria affidabile in tutte le condizioni operative
• Ottimizzazione EMC in conformità alla norma CISPR 25 - riduzione delle emissioni armoniche

2 Definizione del problema

Questa nota applicativa riguarda specificamente un cristallo fondamentale da 40 MHz in un alloggiamento ceramico di 3,2x2,5 mm/4pad con una capacità di carico di 12 pF. L'intervallo di temperatura operativa è di -40/+125°C, o la ESR massima di 35 Ohm (-40/+125°C) per questo cristallo a 40 MHz a bassa ESR compatibile con AEC-Q200. La tolleranza di frequenza del cristallo è stata specificata con ±10 ppm a +25°C e una stabilità di temperatura di ±50 ppm nell'intervallo di temperatura di -40/+125°C.

Durante lo sviluppo di una nuova applicazione automobilistica, il cliente ha scoperto che la misurazione delle emissioni in conformità alla norma CISPR-25 mostrava un superamento del valore limite a circa 360 MHz, che poteva essere correlato al cristallo dell'oscillatore.

Il circuito dell'oscillatore contiene una resistenza parallela di 1 Mohm, una resistenza seriale e due condensatori da 12pF a GND ciascuno.

Domanda del cliente: Come deve dimensionare la R_S per evitare interferenze EMC e a cos'altro deve prestare attenzione per quanto riguarda la precisione della frequenza e il comportamento transitorio del cristallo di quarzo oscillante a 40 MHz?

3 Nozioni di base dell'oscillatore Pierce

3.1 Topologia del circuito

L'oscillatore Pierce è costituito da quattro componenti fondamentali:

3.2 Condizione di oscillazione (criterio di Barkhausen)

Affinché l'oscillatore oscilli e rimanga stabile, devono essere soddisfatte contemporaneamente due condizioni:

• Condizione di ampiezza: |R_neg| > ESR del cristallo di quarzo (tipicamente fattore 5× consigliato)
• Condizione di fase: La rotazione totale della fase nel percorso di retroazione è di 360°.

La resistenza di ingresso negativa R_neg di un tipico inverter CMOS a 40 MHz è compresa tra -200 Ω e -1000 Ω. Con una ESR di 35 Ω, la condizione di ampiezza è in linea di principio facile da soddisfare; senza R_S, tuttavia, è incontrollata e associata a un'elevata potenza di pilotaggio.

Nota: il margine di guadagno deve essere di almeno un fattore 5 superiore al valore minimo, per coprire le fluttuazioni di temperatura, tensione di alimentazione e tolleranza dei componenti. Per le applicazioni automobilistiche, il fattore di sicurezza richiesto per la risposta ai transitori è >10.

4 La resistenza seriale R_S

4.1 Funzione e significato

Contrariamente alla prima impressione, R_S non è un componente opzionale, ma un componente critico dal punto di vista funzionale con diversi compiti:

4.2 Raccomandazioni per il dimensionamento

I seguenti valori guida si applicano a un cristallo da 40 MHz con ESR = 35 Ω e C_L = 12 pF:

Nota: raccomandazione: con R_S = 330 Ω - 470 Ω, nella pratica si va sempre sul sicuro per la gamma di frequenza 10-50 MHz. Per problemi EMC comprovati, 470 Ω è il primo punto di partenza.

4.3 Considerazione dei limiti

Una R_S troppo grande può violare la condizione di oscillazione se la resistenza negativa dell'inverter è bassa. Regola empirica per il limite superiore:

R_S_max ≈ |R_neg| / 5 - ESR

Per R_neg = -300 Ω (ipotesi conservativa per 40 MHz): R_S_max ≈ 300/5 - 35 = 25 Ω ... Questo dimostra che: La resistenza negativa effettiva deve essere nota o ricavata dalla scheda tecnica del circuito integrato utilizzato. In caso di dubbio, effettuare sempre le misure a Tmin e Vcc_min.

Attenzione: se R_neg non è nota: R_S = 330 Ω con verifica tramite misura di messa in servizio (oscilloscopio, analizzatore di spettro) in condizioni estreme (-40 °C, Vcc_min).

5 Capacità di carico C1 e C2

5.1 Calcolo della capacità di carico effettiva

La capacità di carico effettiva C_L_eff vista dal quarzo risulta dal collegamento in serie di C1 e C2 più la capacità parassita di dispersione C_stray della traccia conduttrice e della piazzola IC:

C_L_eff = (C1 × C2) / (C1 + C2) + C_stray

C_stray è dell'ordine di 2-5 pF su un tipico PCB. C_stray = 3 pF viene utilizzato come ipotesi realistica per il progetto.

5.2 Confronto: 12 pF vs. 18 pF per condensatore

5.3 Raccomandazione

C1 + C2 = 18 pF è la scelta ottimale per un cristallo con una capacità di carico di C_L = 12 pF su una scheda standard. Questa scelta

• soddisfa quasi esattamente la capacità di carico specificata a C_stray ≈ 3 pF
• riduce completamente l'errore di frequenza positivo rispetto a C1=C2=12 pF
• migliora la soppressione delle armoniche di circa 3 dB
• è meno sensibile alle variazioni di capacità di dispersione nel layout.

Nota: se C_stray non può essere stimata in modo affidabile sul PCB, si consiglia di utilizzare 22 pF con la possibilità di ridurre a 18 pF o 15 pF (posizionamento NP). Ciò consente un'ottimizzazione iterativa della frequenza senza riprogettare il PCB.

6 Ottimizzazione EMC - CISPR 25

6.1 Causa dell'emissione armonica a 360 MHz

Il superamento del valore limite a 360 MHz nel contesto delle misure CISPR 25 è un fenomeno noto con gli oscillatori Pierce a 40 MHz. 360 MHz corrisponde alla 9a armonica della fondamentale (9 × 40 MHz = 360 MHz).

La causa principale risiede nella ripidità dei bordi dell'inverter CMOS: i tempi di commutazione nell'intervallo 0,5-2 ns generano un ricco spettro armonico che raggiunge i conduttori in modo non attenuato senza un sufficiente filtro passa-basso.

6.2 Catena di effetti e calcolo dell'attenuazione

Il filtro passa-basso RC, che forma R_S insieme a C1 (o C2), fornisce la seguente attenuazione a 360 MHz:

Attenuazione [dB] = 20 × log₁₀(f / f_c) con f_c = 1 / (2π × R_S × C)

6.3 Pacchetto di misure

Le seguenti misure sono consigliate in ordine di priorità:

Attenzione: nessuna delle misure deve essere considerata isolatamente. La combinazione di R_S = 470 Ω e C1/C2 = 18 pF è la prima misura consigliata; essa affronta la causa (filtraggio passa-basso) e non solo il sintomo.

7 Lista di controllo per il dimensionamento

Questa lista di controllo riassume tutti i passaggi per un corretto cablaggio dell'oscillatore Pierce:

8 Circuito di riferimento: cristallo di quarzo da 40 MHz

La tabella seguente mostra il circuito di riferimento completamente dimensionato per un quarzo da 40 MHz con C_L = 12 pF e ESR = 35 Ω:

9 Errori comuni e misure correttive

10 Altri standard e letteratura

• IEC 60122-1: Risonatori al quarzo - Definizioni e metodi di misura
• CISPR 25: Limiti e metodi di misura per la soppressione delle interferenze radio nei veicoli
• Colpitts, E. H. (1918): Brevetto originale dell'oscillatore Colpitts/Pierce
• Marvin, A. / Dawson, J.: Progettazione di oscillatori a cristallo e compensazione della temperatura, Van Nostrand Reinhold

Esclusione di responsabilità: questa nota applicativa ha valore puramente indicativo. Tutte le dimensioni devono essere verificate misurando il prodotto finale. PETERMANN-TECHNIK GmbH non può essere ritenuta responsabile per eventuali danni derivanti dall'uso di queste informazioni.