Praktische meetmethoden voor de post "Kwarts kristallen optimaliseren voor IC's" - secties B en 5
Naar het encyclopedie-artikel : Kristallen optimaal afstemmen op IC's
Waar het allemaal om draait
Parasitaire capaciteiten (Cpar) tussen XIN/XOUT en massa zijn onvermijdelijk. Ze bestaan uit IC pincapaciteit, spoorcapaciteit, padcapaciteit en pakketcapaciteit. Typische waarden liggen tussen 1 pF en 3 pF per kant, in ongunstige lay-outs of met IC-pencapaciteiten tot 7 pF zelfs aanzienlijk hoger.
Deze capaciteiten verhogen de effectieve belastingscapaciteit, verminderen de hoeveelheid -Rneg en verschuiven het werkpunt van de oscillator. Ontwerpen met een lage gespecificeerde CL (MHz kwarts ≤ 10 pF, 32,768 kHz kwarts ≤ 6 pF) zijn bijzonder kritisch - parasitaire capaciteiten hebben hier een sterk procentueel effect.
Dit bericht beschrijft twee praktische methoden voor de kwantitatieve bepaling van Cpar.
Waarom Cpar moet worden gemeten
Vaak wordt Cpar = 2 pF berekend op basis van vuistregels uit datasheet. De werkelijke spreiding tussen verschillende lay-outs is echter aanzienlijk:
| Layout type | Cpar typical | Effect op CL_eff | |
|---|---|---|---|
| 4-layer PCB, short leads, quartz directly at the IC | 1.0 - 1.5 pF | minimum | |
| 4-layer PCB, standaard layout met 5 mm leads | 2.0 - 2.5 pF | normaal, in rekening te brengen op factuur | |
| 2-layer PCB, long leads (> 10 mm) | 3.0 - 4.5 pF | significant, CL frequentiefout > 10 ppm mogelijk | |
| IC met verhoogde pincapaciteit (CIN tot 7 pF) | 7 - 9 pF | overheerst de capaciteitsbalans | |
| GND-gebied direct onder kwartspads | 4 - 7 pF | Opmaakfout, moet worden gecorrigeerd |
| Bevolking | C1 = C2 | Δf gemeten | CL_eff from 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
De waarden komen niet overeen (verschillend teken). Reden: Voor configuratie B is CL_eff groter dan CL_spec, daarom negatieve afwijking. Gebruik voor een juiste interpretatie de formulering met het juiste teken:
CL_eff_A = 5 + Cpar = 7,92 → Cpar = 2,92 pF
CL_eff_B = 11 + Cpar = 8,16 ... ?
De tweede vergelijking toont een inconsistentie: 11 + Cpar kan niet 8,16 zijn. Dit geeft aan dat bij C_B = 22 pF het kristal boven zijn CL_specificatie werkt en de lineaire benadering zijn geldigheid verliest. Kies in dit geval twee samenstellingen met een kleinere spreiding (bijv. C_A = 12 pF, C_B = 18 pF) of voer een exacte berekening van het kristal-equivalentdiagram uit.
<p class= textjustify=tekstNoot: De frequentiemethode werkt het beste als beide plaatsingen resulteren in CL_eff waarden rond CL_spec. Cpar ≈ 2,9 pF uit assemblage A is hier het zinvolle resultaat.
Methode B: LCR-meting in uitgeschakelde toestand
Aanvullende methode waarbij geen oscillatie nodig is. Deze methode is geschikt voor prototypekarakterisering en voor vergelijkingen tussen lay-outvarianten.</p
<h3>Metingsopstelling
- Precisie LCR-meter met 1 MHz signaal (bijv. Keysight E4980AL, HP 4284A)
- Meetsignaal ≤ 100 mV om belasting van de IC-ingangsdiodes te voorkomen
- Circuit volledig spanningsloos (VCC = 0 V, geen batterij)
Uitvoering
- Verwijder het kwartskristal uit de bus (voor SMD: desolderen of niet monteren).
- Zonder C1 en C2 (niet gemonteerd): Meet de capaciteit XIN → GND en XOUT → GND. Dit geeft een schatting van de zuivere pin- en spoorcapaciteit naar massa.
- Met C1 en C2 gemonteerd: Meet de capaciteit XIN → GND en XOUT → GND opnieuw. Het verschil met de meting zonder condensatoren moet overeenkomen met de C1/C2-waarden plus een kleine zwerfcapaciteit (< 0,5 pF).
- Cpar ≈ gemeten waarde zonder C1/C2.
Limiet van de LCR-methode De capaciteit van de IC-pennen is spanningsafhankelijk en verandert gewoonlijk met 0,5 - 1,5 pF tussen uitgeschakelde en ingeschakelde toestand. De LCR-meting geeft daarom alleen een ondergrens van de bedrijfs-Cpar. Voor absolute nauwkeurigheid gebruikt u de frequentiemethode (methode A). |
</figuur>
Lay-outinvloeden op Cpar
| Layout measure | Effect op Cpar | Aanbeveling |
|---|---|---|
| kort het spoor in met 5 mm | -0.3 tot -0.5 pF | altijd |
| Verwijder GND-gebied onder kwartspads | -1.0 tot -2.5 pF | Altijd, of het nu gaat om MHz of kHz kwartskristallen = geen aarde direct onder het kwartskristal |
| Plaats kwartspads #2 en #4 op GND (keramisch 4-pads) | +0 pF, maar EMC-verbetering | aanbevolen, maar één keer opgeven voor fijnafstelling van de frequentie |
| Via in plaats van trace naar GND | minimal | alleen als de routing dit afdwingt |
| Vul het kristal op vanaf de onderkant van de print | +0.5 - 1.0 pF | vermijden, indien mogelijk |
| extra signaleringsspoor op < 1 mm afstand | +0.3 tot +1.0 pF | vermijd koste wat kost |
Aanbeveling voor lage-CL ontwerpen
In batterijgevoede toepassingen specificeren IC-fabrikanten vaak kristallen met zeer lage belastingscapaciteiten (MHz-kwarts meestal 8 pF, 32,768 kHz-kwarts tot 3 - 4 pF). In dergelijke ontwerpen:
- Gebruik 1 % getolereerde C0G/NP0-condensatoren voor C1 en C2
- Verifieer Cpar eenmaal per layout door frequentiemeting
- Maximum 3 mm spoor tussen IC-pen en kristalpad
- Geen signaallijnen onder of direct naast het kristal
- Gewoon GND-eiland voor de circuitcondensatoren
TS (Tuning Sensivity) in ppm/pF: De IC-fabrikanten adviseren steeds vaker het gebruik van oscillerende kristallen met lage belastingscapaciteiten (MHz = <6pF, 32,768 kHz = 4pF). Minder XIN/XOUT belasting verlaagt het stroomverbruik van het IC en verlengt dus de levensduur van de batterij en verhoogt de transiëntrespons. Aan de frequentiekant vormt dit echter een groot probleem voor de ontwikkelaar. Dit komt doordat hoe lager de belastingscapaciteit van de kwarts, hoe groter de trekgevoeligheid in ppm/pF (fysische wetgeving). Dit is irrelevant voor een normaal regelcircuit, maar deze waarde is essentieel voor een radiotoepassing. Daarom raden we aan een maximale tolerantie van 1% te gebruiken voor C1 en C2 in radiotoepassingen, zodat er zo weinig mogelijk capacitieve frequentie-offset (verschuiving van de werkfrequentie) wordt gegenereerd vanaf de zijkant. Bovendien moet de capacitieve tolerantie op XIN/XOUT, die tot 25% kan bedragen, niet worden verwaarloosd. |
</figuur>
Limiet van de LCR-methode
De pincapaciteit van het IC is spanningsafhankelijk en verandert meestal met 0,5 - 1,5 pF tussen een uitgeschakelde en ingeschakelde toestand. De LCR-meting geeft daarom alleen een ondergrens van de bedrijfs-Cpar.</p
<h2>Voor absolute nauwkeurigheid gebruikt u de frequentiemethode (methode A)</h2
<h2>Verder informatie
Het effect van parasitaire capaciteiten op het werkpunt, de transiëntrespons en de frequentienauwkeurigheid wordt beschreven in de praktische gids "Kristallen optimaal afstemmen op IC's" (secties B en 5). Deze post laat zien hoe je Cpar op je printplaat kwantitatief kunt bepalen en door gerichte lay-outmaatregelen kunt verminderen.
U hebt vragen over de implementatie
Onze frequentiedeskundigen ondersteunen u bij het selecteren van het juiste kristal, het uitvoeren van metingen in uw schakeling en het bieden van ondersteuning bij het ontwerp tot en met de serievrijgave.
- Vraag technisch advies
- Bespreek uw toepassing met ons
- Bepaal en bestel een voorbeeldkristal
- Vraag een alternatief via kruisreferentie
Telefoon: +49 8191 305395 Email: info@petermann-technik.de
