Metodi di misura pratici per il post "Ottimizzazione dei cristalli di quarzo per i circuiti integrati" - Sezione B
All'articolo dell'enciclopedia : Abbinare in modo ottimale i cristalli ai circuiti integrati
Cosa c'è dietro
La capacità di carico CL definisce il punto di funzionamento di un cristallo di quarzo e quindi la sua frequenza effettiva nel circuito, nota anche come frequenza operativa. Ogni cristallo è regolato su una CL specifica (in genere 6 pF, 8 pF, 12 pF, 16 pF, 18 pF o 20 pF per i cristalli di quarzo a MHz / 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF e 12,5pF per i cristalli di clock a 32,768kHz). Se la specifica CL del cristallo e la capacità di carico effettiva del circuito non corrispondono, si verifica uno spostamento sistematico della frequenza, spesso nell'ordine di pochi ppm e alcune decine di ppm.
Questo post pratico mostra come la capacità di carico effettiva può essere controllata e convalidata in un circuito reale.</p
<h2>Fondo fisico
La capacità di carico effettiva che il cristallo "vede" nel circuito risulta dal collegamento in serie delle due capacità esterne C1 e C2 più le capacità parassite (vaganti).
CL_eff = (C1 - C2) / (C1 + C2) + Cstray
Cstray è composto dalla capacità dei pin del circuito integrato, dalla capacità delle tracce e dalla capacità delle piazzole. I valori guida tipici in un layout reale sono 2 pF - in progetti compatti e ottimizzati per il layout a volte solo 1 pF, in layout sfavorevoli o con capacità dei pin del circuito integrato fino a 7 pF corrispondentemente più alte.
Perché un calcolo puro non è sufficiente
Il calcolo della scheda tecnica fornisce un buon valore di partenza, ma non è una garanzia. Le deviazioni sono dovute a:
- Dispersione seriale della capacità dei pin del circuito integrato (tipicamente ±30%)
- Varianti di layout (lunghezze delle tracce, numero di strati, numero di via, vicinanza a piani di massa)
- Tolleranze di fabbricazione dei condensatori del circuito (C0G/NP0 tip. ±5%, standard ±10%, ±1% per applicazioni precise come quelle richieste nelle applicazioni radio)
- Dipendenza dalla temperatura e dalla tensione della capacità dei pin
La verifica nel circuito reale è quindi obbligatoria se la precisione della frequenza è rilevante (wireless, USB, Ethernet, timer).
Metodo di misura A: metodo della frequenza (consigliato in serie)</h2
<h3>Principio di misura
La frequenza effettiva del circuito in funzione viene misurata e confrontata con la frequenza nominale specificata. La capacità di carico effettiva può essere calcolata in base alla deviazione della frequenza.</p
<h3>Apparecchiature necessarie
Contatore di frequenza con risoluzione ≥ 0,1 ppm e riferimento GPS o OCXO (ad es. Keysight 53230A, Pendulum CNT-90)
Sonda attiva, a bassa capacità (< 1 pF, ad es. sonda FET),
. ad es. sonda FET) per non falsare la misura
Camera di temperatura raccomandata per la misura di riferimento a +25 °C ±1 °C
Esecuzione
Mettere in funzione il circuito a +25 °C e alla tensione nominale. Lasciare riscaldare per almeno 60 s.
Toccare XOUT (uscita dell'oscillatore) con una sonda a bassa capacità. Non toccare XIN - è qui che la sonda disturba maggiormente il punto di funzionamento.
Media della frequenza su un tempo di gate ≥ 10 s e annotare: fmess.
Calcolare la deviazione: Δf/f = (fmess - fnenn) / fnenn - 10⁶ [ppm]
Calcolare il CL effettivo a partire da Δf/f (vedi formula sotto).
Ricalcolo del CL da Δf/f
Formula di approssimazione (valida nell'intervallo usuale intorno a CL_spec):
Δf / f ≈ - C1_mozionale / (2 - (C0 + CL_eff)²) - (CL_eff - CL_spec)
Con parametri tipici del quarzo (C1_motional ≈ 3 fF, C0 ≈ 1 pF), la seguente è una regola pratica:
ΔCL [pF] ≈ Δf/f [ppm] - (CL_spec + C0)² / (C1_motional - 10⁶ / 2)
Più semplice e più preciso: leggere la sensibilità di trazione dalla scheda tecnica del quarzo (in genere da -15 a -25 ppm/pF) e usarla per convertire.
ΔCL = Δf/f / S (S = sensibilità di trazione in ppm/pF)
Metodo di misurazione B: Metodo della variazione (per determinare Cstray)
Questo metodo è la variante più accurata se si vuole determinare la capacità parassita del circuito:
Impostare C1 e C2 su un valore di prova simmetrico (ad es. 12 pF ciascuno, C0G ±2 %).
Misurare la frequenza f1.
Portare C1 e C2 a un secondo valore (ad es. 22 pF ciascuno). ad esempio 22 pF ciascuno), misurare la frequenza f2.
Cpar e la capacità di carico effettiva possono essere risolte analiticamente da due punti di misura.
Adatta per il debug iniziale dei campioni, perché caratterizza anche il layout e i valori di Cpar determinati possono essere riutilizzati per layout simili.
Valori tipici e limiti di accettabilità
| Criterio | Area verde | Valutazione/Misura |
|---|---|---|
| |Δf/f| a +25 °C | < 5 ppm | In ordine |
| |Δf/f| a +25 °C | 5 - 15 ppm | Regola C1/C2 |
| |Δf/f| a +25 °C | > 15 ppm | controllare la variante CL, determinare Cpar |
| Differenza XIN / XOUT | < 2 ppm | Disposizione simmetrica |
| Cpar (dal metodo di variazione) | 1 - 3 pF | Range normale tipico |
| Cpar | > 5 pF | Controllo del layout (cavi corti, nessuna area GND sotto il quarzo) |
Esempio di calcolo
Quarto: 26.000 MHz, CL_spec = 8 pF, sensibilità di trazione S = -18 ppm/pF.
Misurazione nel circuito: fmess = 26.000 234 MHz → Δf/f = +9 ppm.
ΔCL = +9 ppm / (-18 ppm/pF) = -0,5 pF
Interpretazione: la capacità di carico effettiva è inferiore di 0,5 pF rispetto all'obiettivo. Rimedio: aumentare leggermente C1 e C2. Con C1 = C2, +1 pF per ogni condensatore provoca ≈ +0,5 pF a CL_eff - cioè aumentare di +1 pF ciascuno.
Nota pratica Per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione a lungo termine (ad es. filo in banda ISM), è consigliabile utilizzare il ad esempio wireless in banda ISM, LoRaWAN, basi temporali precise), si consiglia di utilizzare condensatori C0G/NP0 tollerati all'1% per C1 e C2. Questo limita le influenze esterne dominanti su CL_eff a < 0,1 pF di dispersione. Non misurate la frequenza effettiva direttamente sul pin XIN. L'ingresso capacitivo della sonda falsifica immediatamente il risultato di diversi ppm. Il punto di misura migliore è XOUT o un pin del circuito integrato a valle. È meglio controllare la scheda tecnica del circuito integrato per verificare se la frequenza può essere emessa tramite un pin separato. In questo caso, la frequenza operativa del cristallo può essere misurata senza influenzare le apparecchiature/sonde di prova. |
Altre informazioni
La formula qui utilizzata e le relazioni tra CL, C1, C2 e le capacità parassite sono descritte in dettaglio nella guida pratica "Optimally matching quartz crystals to ICs" (sezioni B e C). Questo post integra la guida con una pratica di misurazione specifica.</p
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