Metodi di misurazione pratici per il post "Ottimizzazione dei cristalli di quarzo per i circuiti integrati" - sezioni B e 5
All'articolo dell'enciclopedia : Abbinare in modo ottimale i cristalli ai circuiti integrati
Cosa c'è dietro
Le capacità parassite (Cpar) tra XIN/XOUT e la massa sono inevitabili. Sono costituite dalla capacità dei pin del circuito integrato, dalla capacità delle tracce, dalla capacità delle piazzole e dalla capacità del contenitore. I valori tipici sono compresi tra 1 pF e 3 pF per lato, in caso di layout sfavorevoli o con capacità dei pin del circuito integrato fino a 7 pF anche notevolmente superiori.
Queste capacità aumentano la capacità di carico effettiva, riducono la quantità di -Rneg e spostano il punto di funzionamento dell'oscillatore. I progetti con un CL specificato basso (MHz quarzo ≤ 10 pF, 32,768 kHz quarzo ≤ 6 pF) sono particolarmente critici - le capacità parassite hanno un forte effetto percentuale in questo caso.
Questo post descrive due metodi pratici per la determinazione quantitativa di Cpar.
Perché il Cpar dovrebbe essere misurato
Sulla base delle regole empiriche delle schede tecniche, spesso si calcola Cpar = 2 pF. Tuttavia, la dispersione reale tra i diversi layout è considerevole:
| Tipo di layout | Cpar tipico | Effetto su CL_eff |
|---|---|---|
| PCB a 4 strati, conduttori corti, quarzo direttamente sul circuito integrato | 1,0 - 1,5 pF | minimo |
| PCB a 4 strati, layout standard con conduttori da 5 mm | 2,0 - 2,5 pF | normale, da considerare in fattura |
| PCB a 2 strati, conduttori lunghi (10 mm) | 3.0 - 4.5 pF | significativo, errore di frequenza CL > 10 ppm possibile |
| IC con aumento della capacità dei pin (CIN fino a 7 pF) | 7 - 9 pF | dominano il bilancio di capacità |
| Area GND direttamente sotto le piazzole di quarzo | 4 - 7 pF | Errore di layout, deve essere corretto |
Metodo A: Metodo della variazione di frequenza (consigliato)
Due misure di frequenza con diverse configurazioni C1/C2 forniscono Cpar indirettamente attraverso la variazione di frequenza. Questo metodo è il più affidabile perché misura la Cpar in condizioni operative reali (compresa la capacità dei pin del circuito integrato alla tensione nominale e alla temperatura di esercizio).
Apparecchiature
- Contatore di frequenza con risoluzione ≥ 0,1 ppm con riferimento GPS o OCXO
- Due set di condensatori C0G/NP0 precisi (±1 %), ad es. C_A = 10 pF e C_B = 22 pF
- Sonda FET con capacità di ingresso ≤ 1 pF (a XOUT)
- Sensibilità di trazione nota S [ppm/pF] del cristallo utilizzato (da scheda tecnica, protocolli di misura o di misurazione allegati alle nostre consegne di campioni)
Procedura di misura
- Posizione A: C1 = C2 = C_A. Dopo 60 s di risposta transitoria, misurare la frequenza f_A, Δf_A = (f_A - f_nenn)/f_nenn in ppm.
- Posizionamento B: C1 = C2 = C_B. Misurare la frequenza f_B, calcolare Δf_B.
- Entrambi i posizionamenti si riferiscono alla stessa sensibilità di trazione. Cpar segue dal sistema di equazioni.
Calcolo
Con CL_eff_A = C_A/2 + Cpar e CL_eff_B = C_B/2 + Cpar e Δf = S - (CL_eff - CL_spec), i risultati sono i seguenti:
Cpar = CL_spec + (Δf_A / S) - C_A / 2
A fini di controllo, Cpar può essere calcolato per analogia dall'assieme B - entrambi i risultati dovrebbero corrispondere entro ±0,3 pF. Se si discostano di più, ciò indica una sensibilità di trazione errata, un CL_spec non riconosciuto correttamente o una forte influenza del livello di pilotaggio.</p
<h3>Esempio di calcolo
Cristallo: 26 MHz, CL_spec = 8 pF, S = -20 ppm/pF.
| Popolazione | C1 = C2 | Δf misurato | CL_eff da Δf |
|---|---|---|---|
| A | 10 pF | +1.60 ppm | 7.92 pF |
| B | 22 pF | -3.20 ppm | 8.16 pF |
Cpar_A = 7,92 pF - 10/2 = 2,92 pF
Cpar_B = 8,16 pF - 22/2 = -2,84 pF
I valori non corrispondono (segno diverso). Motivo: Per la configurazione B, CL_eff è maggiore di CL_spec, quindi la deviazione è negativa. Per una corretta interpretazione, utilizzare la formulazione con il segno corretto:
CL_eff_A = 5 + Cpar = 7,92 → Cpar = 2,92 pF
CL_eff_B = 11 + Cpar = 8,16 ... ?
La seconda equazione mostra un'incongruenza: 11 + Cpar non può essere 8,16. Ciò indica che a C_B = 22 pF il cristallo viene fatto funzionare al di sopra del suo CL_spec e l'approssimazione lineare perde la sua validità. In questo caso, si devono selezionare due gruppi con uno scarto minore (ad esempio, C_A = 12 pF, C_B = 18 pF) o eseguire un calcolo esatto del diagramma del circuito equivalente del cristallo.
Nota: Il metodo della frequenza funziona meglio se entrambi i posizionamenti risultano in valori di CL_eff intorno a CL_spec. Cpar ≈ 2,9 pF dall'assemblaggio A è il risultato significativo in questo caso.
Metodo B: misura dell'LCR quando è spento
Metodo complementare che non richiede l'oscillazione. È adatto per la caratterizzazione di prototipi e per il confronto tra varianti di layout.</p
<h3>Impostazione di misura
- Misuratore LCR di precisione con segnale a 1 MHz (ad es. Keysight E4980AL, HP 4284A)
- Segnale di misura ≤ 100 mV per evitare di sollecitare i diodi di ingresso del circuito integrato
- Circuito completamente diseccitato (VCC = 0 V, nessuna batteria)
Implementazione
- Rimuovere il cristallo di quarzo dallo zoccolo (per SMD: dissaldare o non assemblare).
- Senza C1 e C2 (non assemblati): Misurare la capacità XIN → GND e XOUT → GND. In questo modo si ottiene una stima della capacità pura del pin e della traccia verso terra.
- Con C1 e C2 montati: misurare nuovamente la capacità XIN → GND e XOUT → GND. La differenza rispetto alla misura senza condensatori deve corrispondere ai valori di C1/C2 più una piccola capacità parassita (< 0,5 pF).
- Cpar ≈ valore misurato senza C1/C2.
Limiti del metodo LCR La capacità dei pin del circuito integrato dipende dalla tensione e varia tipicamente di 0,5 - 1,5 pF tra gli stati di spegnimento e accensione. La misura LCR fornisce quindi solo un limite inferiore della Cpar operativa. Per una precisione assoluta, utilizzare il metodo della frequenza (metodo A). |
Influenze del layout su Cpar
| Misura del layout | Effetto su Cpar | Raccomandazione |
|---|---|---|
| accorciare la traccia di 5 mm | da 0.3 a -0.5 pF | sempre |
| Rimuovere l'area GND sotto le piazzole di quarzo | -1,0 a -2,5 pF | Sempre, sia per i cristalli di quarzo a MHz che a kHz = nessuna massa direttamente sotto il cristallo di quarzo |
| Posizionare i pad #2 e #4 del quarzo su GND (ceramica a 4 pad) | +0 pF, ma miglioramento EMC | raccomandato, ma specificare una volta prima della regolazione fine della frequenza |
| Via invece della traccia verso GND | minimo | solo se il routing lo obbliga |
| Popolare il cristallo dal lato inferiore del PCB | +0,5 - 1,0 pF | evitare, se possibile |
| binario di segnalazione aggiuntivo a < 1 mm di distanza | da+0,3 a +1,0 pF | evitare ad ogni costo |
Raccomandazione per i progetti a bassa luminosità
Nelle applicazioni alimentate a batteria, i produttori di circuiti integrati spesso specificano cristalli con capacità di carico molto basse (quarzo a MHz tipicamente 8 pF, quarzo a 32,768 kHz fino a 3 - 4 pF). In questi progetti:
- Utilizzare condensatori C0G/NP0 tollerati all'1% per C1 e C2
- Verificare Cpar mediante misurazione della frequenza una volta per layout
- Traccia massima di 3 mm tra il pin del circuito integrato e la piazzola del cristallo
- Nessuna linea di segnale sotto o direttamente accanto al cristallo
- Isola GND dedicata per i condensatori del circuito
TS (Tuning Sensivity) in ppm/pF: I produttori di circuiti integrati raccomandano sempre più l'uso di cristalli oscillanti con basse capacità di carico (MHz = <6pF, 32,768 kHz = 4pF). Un minor carico XIN/XOUT riduce il consumo di energia del circuito integrato, prolungando così la durata della batteria e aumentando la risposta ai transienti. Dal punto di vista della frequenza, tuttavia, questo pone un problema importante per il progettista. Infatti, quanto più bassa è la capacità di carico del quarzo, tanto maggiore è la sensibilità di estrazione in ppm/pF (legislazione fisica). Questo è irrilevante per un normale circuito di controllo, ma questo valore è essenziale per un'applicazione radio. Pertanto, nelle applicazioni radiofoniche si consiglia di utilizzare una tolleranza massima dell'1% per C1 e C2, in modo da generare il minor offset di frequenza capacitivo possibile (spostamento della frequenza operativa) dal lato. Inoltre, non bisogna trascurare la tolleranza capacitiva su XIN/XOUT, che può arrivare al 25%. |
Limite del metodo LCR
La capacità dei pin del circuito integrato dipende dalla tensione e varia tipicamente di 0,5 - 1,5 pF tra lo stato di spegnimento e quello di accensione. La misura LCR fornisce quindi solo un limite inferiore della Cpar operativa.</p
<h2>Per una precisione assoluta, utilizzare il metodo della frequenza (metodo A)</h2
<h2>Altre informazioni
L'effetto delle capacità parassite sul punto di funzionamento, sulla risposta ai transitori e sulla precisione della frequenza è descritto nella guida pratica "Tuning crystals optimally to ICs" (sezioni B e 5). Questo post mostra come determinare quantitativamente la Cpar sulla vostra scheda e come ridurla attraverso misure di layout mirate.
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