Metodi di misurazione pratici per il post "Ottimizzazione dei cristalli di quarzo per i circuiti integrati" - Sezioni F e F.3
All'articolo dell'enciclopedia : Abbinare in modo ottimale i cristalli ai circuiti integrati
Cosa c'è dietro
La ESR (Equivalent Series Resistance) rappresenta le perdite meccaniche e dielettriche del cristallo di quarzo. È uno dei parametri più importanti per il comportamento transitorio: Una bassa ESR significa minori perdite, maggiore affidabilità nella risposta ai transienti, tempi di avvio più rapidi e oscillazioni più stabili rispetto alla temperatura.</p
<p class="text-justify">I produttori di MCU di solito specificano una ESR massima nelle loro schede tecniche (in genere 40 - 100 Ω per i cristalli a MHz, 30 - 90 kΩ per i cristalli a 32,768 kHz). Se la VES reale del cristallo è superiore, l'oscillatore non si avvierà in modo affidabile.
Questo post mostra come misurare correttamente la VES in un pezzo singolo e in un test a campione.
Metodo di misurazione A: Analizzatore di rete (IEC 60444-5, metodo di riferimento)
L'analisi di rete è il metodo di riferimento, preciso, riproducibile e alla base di tutte le schede tecniche sul quarzo. Viene utilizzato esclusivamente nei laboratori di misura.
Apparecchiature
Analizzatore di rete vettoriale (VNA), ad es. Keysight E5061B, Rohde & Schwarz ZNLE, o ponte di prova al quarzo specializzato (Saunders 250C, Saunders 260)
π presa di rete (dima di prova al quarzo) secondo IEC 60444-5 con capacità di carico definita
Calibrazione di riferimento e OSL di precisione fino alla gamma di frequenza del quarzo
Procedura
Calibrare la rete π: Short-Open-Load-Through (SOLT) con standard di precisione alla frequenza target.
Inserire il cristallo nello zoccolo di prova. Lo zoccolo definisce una capacità di carico adeguata per la misura.
Impostare il livello di pilotaggio al livello di misura specificato nella scheda tecnica del quarzo (in genere 10 µW o 100 µW).
Eseguire la misura di trasmissione S21, cercando il minimo alla risonanza in serie.
Calcolare la VES dalla perdita di inserzione al minimo della risonanza.
ESR = 2 - R₀ - ( 10^(-|S21|/20) - 1 ) (con R₀ = 50 Ω per una rete π aperta)
Metodo di misurazione B: Ponte attivo / Metodo Saunders (metodo di produzione e AQ)
I ponti di misura al quarzo commerciali (Saunders, TTi) misurano direttamente la VES, la frequenza di risonanza di serie fs, la frequenza di risonanza di carico fL e i parametri di movimento L1, C1, C0. Sono utilizzati nei test di ingresso merci e di AQ.</p
<p class="text-justify">Vantaggi: visualizzazione diretta della VES in ohm, controllo automatico del livello di pilotaggio, tempo di misurazione di pochi secondi per cristallo.
Metodo C: stima in-circuito (metodo sul campo, solo per verifiche di plausibilità)
Se è disponibile solo un oscilloscopio, la VES può essere ristretta indirettamente utilizzando il metodo della resistenza in serie. Questo metodo viene utilizzato principalmente per determinare la sicurezza della risposta ai transitori (si veda il post separato su -Rneg) e fornisce una stima superiore della VES come risultato secondario.
Principio
Un resistore variabile in serie Rtest viene inserito tra il cristallo e uno dei nodi di capacità (di solito il lato XOUT). Il valore di resistenza al quale l'oscillazione si arresta corrisponde al valore limite:</p
<p class="text-centre">Rtest_max + ESR ≈ |-Rneg|
Se |-Rneg| è noto dalle specifiche dell'oscillatore, è possibile stimare il limite superiore della VES. Questo metodo non è sufficiente per una misura assoluta precisa.
Valori tipici di VES
| Tipo di quarzo | Range di frequenza | ESR tipico | ESR max (scheda tecnica) |
|---|---|---|---|
| 32.768 kHz watch quartz standard (a seconda della versione della cassa) | 32.768 kHz | 35 - 65 kΩ | 70 - 90 kΩ |
| 32,768 kHz Orologio al quarzo LRT-Low-ESR | 32,768 kHz | 40 - 45 kΩ | 50 kΩ |
| MHz quarzo SMD 3,2 × 2,5 mm | 8 - 50 MHz | 40 - 80 Ω | 100 Ω |
| MHz quarzo SMD 2.0 × 1.6 mm | 16 - 54 MHz | 60 - 120 Ω | 150 Ω |
| LRT quarzo SMD03025/4 | 8 - 60 MHz | 20 - 50 Ω | 80 Ω |
| LRT-Quartz SMD02016/4 | 16 - 60 MHz | 30 - 70 Ω | 100 Ω |
| quarzo MHz in confezione 5032 THT | 4 - 40 MHz | 20 - 40 Ω | 60 Ω |
Regola di valutazione
Regola empirica per una progettazione robusta Se l'MCU specifica una ESR_max_IC massima, la ESR reale del cristallo utilizzato non dovrebbe essere superiore al 50-70% di questo valore. Esempio: la scheda tecnica dell'MCU dice ESR_max = 70 Ω → ESR del quarzo desiderata 30 - 50 Ω. Questo lascia una riserva per le derive della temperatura e dell'invecchiamento, per la dispersione dei componenti e per un eventuale basso |-Rneg|. |
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Influenza della temperatura sulla VES
La VES è più alta a basse temperature. Per i cristalli a 32,768 kHz, la VES a -40 °C può aumentare fino a 2 - 3 volte il valore a +25 °C. Per i cristalli a MHz, il coefficiente di temperatura è tipicamente del +10-20% tra +25 °C e -40 °C.
Si applica pertanto quanto segue: la misurazione e la valutazione della scheda tecnica devono sempre coprire l'intervallo di temperatura specificato.</p
| Quartz | ESR a +25 °C | ESR a -40 °C (tip.) | Fattore |
|---|---|---|---|
| 32.768 kHz di default (a seconda della versione) | 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 standard 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 |
Errori frequenti nella misurazione della VES
Misurazione con livello di pilotaggio errato: la VES dipende dal pilotaggio. Attenersi sempre al livello di misura specificato nella scheda tecnica.
Mancata calibrazione della rete π: porta a errori sistematici del 20-50%.
Miscelazione di R1 e ESR: le schede tecniche a volte specificano R1 (ramo RLC in serie), a volte ESR alla frequenza di risonanza del carico. Entrambi differiscono leggermente (ESR ≈ R1 - (1 + C0/CL)²). Verificare quale valore si intende.
Misure in circuito senza tenere conto delle resistenze parassite di traccia incluse nel percorso.
Tecnologia LRT: Low-ESR come standard
Tutti i cristalli oscillanti forniti da PETERMANN-TECHNIK utilizzano l'esclusiva tecnologia LRT (Low ESR Resonator Technology). Grazie al loro design, questi cristalli hanno valori di ESR molto bassi per l'intero intervallo di temperatura specificato, il che garantisce al progettista del circuito una riserva di oscillazione sufficiente anche con stadi oscillatori deboli nelle moderne MCU a basso consumo.
Altre informazioni
Il significato dell'ESR per la risposta ai transienti e la relazione con la resistenza di ingresso negativa sono descritti in dettaglio nella guida pratica "Sintonizzazione ottimale dei cristalli sui circuiti integrati" (sezioni F e F.3). Questo post fornisce una pratica di misurazione e raccomandazioni specifiche sui valori limite.</p
<p>Hai domande sull'implementazione
I nostri esperti di frequenza vi supporteranno nella scelta del cristallo giusto, nell'esecuzione delle misure sul vostro circuito e nel supporto alla progettazione fino al rilascio in serie.
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FAQs
Che cos'è la VES di un cristallo di quarzo e perché è così importante per il comportamento transitorio?
La VES, o Resistenza Serie Equivalente, descrive le perdite meccaniche e dielettriche di un cristallo di quarzo. È uno dei parametri più importanti per il comportamento transitorio di un oscillatore, perché una bassa ESR significa perdite minori e quindi maggiore stabilità transitoria. Inoltre, una bassa VES migliora il tempo di avvio e garantisce un'oscillazione più stabile nell'intero intervallo di temperatura. Se l'ESR reale supera il valore massimo specificato dal produttore dell'MCU, l'oscillatore potrebbe non avviarsi in modo affidabile. Pertanto, l'ESR deve essere sempre valutata in relazione al circuito dell'oscillatore e ai limiti della scheda tecnica.
Come si misura correttamente la VES di un cristallo di quarzo con un analizzatore di rete?
Il metodo di riferimento per la misurazione della VES è l'analisi di rete in conformità alla norma IEC 60444-5, utilizzando un analizzatore di rete vettoriale o un ponte di misura al quarzo specializzato. A tale scopo si utilizza una rete π calibrata con una capacità di carico definita, in cui viene inserito il cristallo di quarzo. Prima della misura è necessaria una precisa calibrazione SOLT alla frequenza target, per evitare errori sistematici. Si imposta quindi il livello di pilotaggio specificato nella scheda tecnica, in genere 10 µW o 100 µW, e si esegue la misura di trasmissione S21. La VES può essere calcolata in modo riproducibile dalla perdita di inserzione al minimo di risonanza, il che rende questo metodo la base per le schede tecniche professionali del quarzo.
Quali sono i limiti tipici di ESR per i cristalli a MHz e a 32,768 kHz?
I produttori di MCU di solito specificano nelle loro schede tecniche una ESR massima ammissibile per il cristallo utilizzato. Per i cristalli a MHz, i valori limite tipici sono solitamente compresi tra 40 e 100 ohm. Per i cristalli a 32,768 kHz, sono comuni valori significativamente più elevati, in genere compresi tra 30 e 90 kOhm. È sempre fondamentale che la VES reale del cristallo rimanga al di sotto del valore massimo consentito dallo stadio oscillatore. Solo così è possibile garantire un comportamento di avviamento affidabile, anche in condizioni operative reali.
È possibile verificare la VES di un cristallo di quarzo senza un analizzatore di rete?
Se non è disponibile un analizzatore di rete, è possibile restringere l'ESR in modo indiretto utilizzando il metodo della resistenza in serie. Si tratta di inserire una resistenza in serie variabile tra il cristallo e un nodo di capacità, di solito sul lato XOUT. Il valore della resistenza in corrispondenza del quale l'oscillazione si arresta, insieme alla resistenza di ingresso negativa nota, consente di ottenere una stima superiore della VES. Questo metodo viene utilizzato principalmente per valutare la sicurezza della risposta transitoria e non per una misura assoluta precisa. Per ottenere valori di ESR esatti e riproducibili, la scelta migliore è quindi quella di effettuare test di laboratorio con analisi di rete o un ponte di misura al quarzo.
Quali sono le fonti di errore che più frequentemente distorcono la misura della VES dei cristalli di quarzo?
Una fonte di errore frequente è un livello di pilotaggio errato, poiché la VES dipende dal pilotaggio e deve sempre essere determinata al livello di misura specificato nella scheda tecnica. Altrettanto critica è la mancanza di calibrazione della rete π, che può causare errori di misura sistematici del 20-50%. Inoltre, nella pratica, la resistenza del motore R1 e la ESR vengono spesso confuse, anche se i due valori non sono identici e differiscono a seconda della capacità C0 e del carico. Anche le misure in circuito che non tengono conto delle resistenze parassite di traccia portano facilmente a risultati falsati. Inoltre, è necessario tenere conto dell'intervallo di temperatura specificato, perché la VES può aumentare significativamente a basse temperature.
Perché PETERMANN-TECHNIK dovrebbe testare la VES del cristallo di quarzo?
PETERMANN-TECHNIK è specializzata in cristalli di quarzo, oscillatori e componenti per la determinazione della frequenza e fornisce ai clienti un supporto pratico nella valutazione della VES. I cristalli di quarzo forniti utilizzano l'esclusiva tecnologia LRT, che consente di ottenere valori di ESR molto bassi nell'intero intervallo di temperatura specificato. Ciò crea un'ulteriore riserva di oscillazione, soprattutto per le moderne MCU a basso consumo con stadi oscillatori più deboli. Inoltre, gli esperti di frequenza supportano i clienti con misurazioni nel circuito reale, con la selezione dei componenti e fino al rilascio in serie. Ciò significa che gli utenti industriali non ricevono solo un cristallo di quarzo, ma anche una soluzione tecnicamente valida per un comportamento di avvio affidabile e un funzionamento stabile.
