Controllare la resistenza dell'ingresso negativo -Rneg e la riserva di sicurezza transitoria

All'articolo dell'enciclopedia : Abbinare in modo ottimale i cristalli ai circuiti integrati

Cosa c'è dietro

La resistenza di ingresso negativa -Rneg di uno stadio oscillatore è la fonte di energia attiva che compensa le perdite nel cristallo (ESR) e aumenta l'oscillazione. Il valore di -Rneg determina direttamente l'affidabilità dell'oscillazione di un cristallo, soprattutto a bassa tensione di alimentazione, a bassa temperatura e nelle MCU a bassa potenza i cui stadi oscillatori sono deliberatamente progettati per essere deboli per motivi di efficienza.

Questo post mostra la determinazione metrologica di |-Rneg| e il conseguente margine di sicurezza dell'oscillazione nel sistema target reale. Il metodo della resistenza in serie descritto è il metodo di prova consolidato e raccomandato nella pratica da molti produttori di MCU (ST, NXP, Infineon, Microchip, Renesas, Silicon Labs).

Principio di base: condizione transitoria

Un oscillatore Pierce oscilla in modo sicuro se il guadagno attivo dello stadio inverter supera le perdite nel circuito del cristallo. Formalmente:

|-Rneg| > ESR_quartz (condizione di partenza secondo Barkhausen)

Per progetti robusti è necessario un margine di sicurezza:

|-Rneg| ≥ 5 - VES_quarzo (standard industriale)

|-Rneg| ≥ 10 - ESR_quartz (automotive / industria con ampio intervallo di temperatura)

Il margine di sicurezza transitoria è espresso come un rapporto:

Margine di guadagno = |-Rneg| / ESR_quartz

Principio di misura: metodo della resistenza in serie

L'idea è semplice: se nel circuito del quarzo viene inserita una resistenza serie aggiuntiva Rtest, questa si comporta come una perdita aggiuntiva. L'oscillatore oscilla in modo affidabile solo se la somma di Rtest e ESR_quartz è inferiore a |-Rneg|.

Se si aumenta Rtest passo dopo passo, si troverà il valore critico Rtest_krit in corrispondenza del quale l'oscillazione inizia ad essere tale. Allora vale quanto segue:

|-Rneg| = Rtest_krit + ESR_quartz

Questo significa: con un unico valore misurato con precisione (Rtest_krit) e la ESR nota del cristallo di quarzo utilizzato, si ottiene direttamente il |-Rneg| dello stadio oscillatore nel progetto reale - comprese tutte le influenze di layout, temperatura e VCC.

Impianto di misura

Modifica del circuito

Un resistore di precisione viene inserito nella linea tra il cristallo e uno dei due nodi di capacità (di solito sul lato XOUT). L'implementazione più comune:

• Predisporre una piazzola per un resistore SMD 0402 o 0603 in serie a C2 sul circuito stampato (di solito dotato di 0 Ω nella disposizione in serie).
• Per le schede già prodotte: tagliare la traccia del conduttore e inserire un resistore a innesto tramite un piccolo anello di filo.
• In alternativa, utilizzare un potenziometro di precisione con una curva di calibrazione nota (attenzione: la capacità parassita del potenziometro può influenzare il punto di funzionamento).

Apparecchiatura

• Set di resistenze di precisione 0402 / 0603 a passi stretti: 0 / 10 / 22 / 47 / 68 / 100 / 150 / 220 / 330 / 470 / 680 / 1000 Ω, tolleranza ±1 %
• Stazione di saldatura fine e pinzette per una rapida sostituzione
• Oscilloscopio con sonda FET attiva su XOUT (per verificare se l'oscillazione è effettivamente iniziata)
• Alimentazione controllabile (per variazione VCC), camera di temperatura opzionale

Perfezione

1. Stato di uscita: Rtest = 0 Ω. Accendere il circuito, confermare l'oscillazione sull'oscilloscopio. Annotare l'ampiezza e il tempo di inizio.
2. Aumentare Rtest passo dopo passo (ad es. 47 Ω → 100 Ω → 150 Ω → 220 Ω → ...). Dopo ogni sostituzione: spegnere completamente il circuito, attendere 5 s, quindi accenderlo.
3. Verificare se l'oscillatore inizia a oscillare. La decisione si/no si basa sull'ampiezza a XOUT dopo 100 ms (quarzo a MHz) o 2 s (quarzo a 32,768 kHz).
4. Eseguire almeno 10 processi di accensione per ogni fase di Rtest - l'oscillazione deve iniziare in modo affidabile in ogni singolo test.
5. Nota il valore Rtest più alto al quale l'oscillazione si avvia in modo affidabile in tutti e 10 i test: Rtest_pass.
6. Nota il valore Rtest più basso al quale l'oscillazione non si avvia più in modo affidabile: Rtest_fail.
7. Rtest_krit si trova in questo intervallo. Per valori precisi, misurare gli stadi intermedi (ad esempio, tra 220 Ω e 330 Ω: 240, 270, 300 Ω).
8. Calcolare Rneg|: |-Rneg| = Rtest_crit + ESR_quartz.
   
   

Caratterizzazione tramite temperatura e VCC

|Rneg| non è costante, ma diminuisce con la diminuzione della VCC e, per molti MCU, con la bassa temperatura. La caratterizzazione completa viene quindi effettuata utilizzando una matrice di misura:

Nello scenario peggiore (solitamente Vmin e -40 °C), il margine di sicurezza di oscillazione deve comunque rispettare il valore target di progetto (margine di guadagno ≥ 5 o ≥ 10).

Esempio di calcolo

Applicazione: quarzo a 16 MHz, ESR_max (scheda tecnica) = 40 Ω. Specifiche MCU: ESR_max consentita = 60 Ω.

Risultati delle misure nel circuito a +25 °C, Vnom:

.

Risultato: Rtest_crit ≈ 300 Ω (valore più alto con una percentuale di successo del 100%).

|-Rneg| = 300 Ω + 40 Ω = 340 Ω

Margine di guadagno = 340 / 40 = 8,5

Valutazione: riserva molto confortevole a +25 °C. La ripetizione a -40 °C / Vmin ha dato come risultato Rtest_krit = 120 Ω → |-Rneg| = 160 Ω → Gain-Margin = 4,0. Questo soddisfa il requisito industriale (≥ 3) ed è appena inferiore al severo requisito automobilistico (≥ 5). Per l'omologazione automobilistica: utilizzare un cristallo con una ESR più bassa o una frequenza più alta in modo da ottenere un margine di guadagno ≥ 5 anche nello scenario peggiore.

Secondo metodo: misurazione dell'impedenza con l'oscillatore spento (analitico)

Un'alternativa analitica consiste nel determinare l'impedenza dell'ingresso dell'oscillatore nello stato attivo, ma senza il cristallo. Questo metodo ha senso solo in ambienti di laboratorio con un analizzatore di rete e di solito viene utilizzato nella pratica solo dai produttori di circuiti integrati per la caratterizzazione della scheda tecnica.

Per lo sviluppatore sul campo, il metodo della resistenza in serie rimane il metodo di scelta: misura esattamente |-Rneg| in condizioni operative reali, compresi tutti gli effetti di layout e ambientali.

Criteri di valutazione della riserva di sicurezza di oscillazione

Misure da adottare se la riserva è troppo bassa

• Selezionare un cristallo con una ESR più bassa (tecnologia LRT) o, se necessario, con una frequenza più alta.
• Ridurre la capacità di carico CL (se consentito dal circuito integrato) - una CL più piccola di solito comporta una maggiore |-Rneg|, ma anche una maggiore sensibilità di pull-in in ppm/pF. In questo caso, C1 e C2 dovrebbero essere selezionati con una tolleranza di ±1%, soprattutto per le applicazioni wireless.
• Impostare il livello di guadagno dell'oscillatore nel registro MCU a un livello più alto (se configurabile)
• Migliorare il layout: linee più corte, isola GND dedicata, nessun segnale sotto il cristallo
• Ridurre C1 e C2 - riduce il carico capacitivo e aumenta |-Rneg| (limite: la specifica CL deve comunque essere rispettata)

Ulteriore sviluppo

La derivazione teorica della resistenza d'ingresso negativa, la condizione di partenza di Barkhausen e i margini di sicurezza richiesti sono descritti in dettaglio nella guida pratica "Accoppiamento ottimale dei cristalli ai circuiti integrati" (sezioni da F.1 a F.4, nonché 1 e 3). Questo post mostra la misura di laboratorio specifica - il metodo centrale con cui potete verificare le affermazioni della guida sul vostro progetto reale.

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