Praktische meetmethoden voor de post "Kwarts kristallen optimaliseren voor IC's" - Secties F en F.3
Naar het encyclopedie-artikel : Kristallen optimaal afstemmen op IC's
Waar het allemaal om draait
De ESR (Equivalente Serieweerstand) vertegenwoordigt de mechanische en diëlektrische verliezen van het kwartskristal. Het is een van de belangrijkste parameters voor het transiënte gedrag: Een lage ESR betekent minder verliezen, een hogere betrouwbaarheid van de transiëntrespons, een snellere opstarttijd en een stabielere oscillatie over de temperatuur.</p
<p class="text-justify">MCU-fabrikanten geven in hun gegevensbladen meestal een maximale ESR op (meestal 40 - 100 Ω voor MHz-kristallen, 30 - 90 kΩ voor 32,768 kHz-kristallen). Als de werkelijke ESR van het kristal hoger is, zal de oscillator niet betrouwbaar starten.
Dit artikel laat zien hoe je de ESR correct meet bij enkelstuks- en monstertoetsing.
Metingsmethode A: Netwerkanalysator (IEC 60444-5, referentiemethode)
Netwerkanalyse is de referentiemethode - nauwkeurig, reproduceerbaar en de basis van alle kwartsinformatiebladen. Ze wordt uitsluitend gebruikt in meetlaboratoria.
Uitrusting
Vector netwerkanalyser (VNA), bijv. Keysight E5061B, Rohde & Schwarz ZNLE, of gespecialiseerde kwarts-testbrug (Saunders 250C, Saunders 260)
π netwerkdoos (kwarts-testmal) volgens IEC 60444-5 met gedefinieerde belastbaarheid
Nauwkeurige referentie- en OSL-kalibratie tot aan het kwartsfrequentiebereik
Procedure
Kalibreer het π-netwerk: Short-Open-Load-Through (SOLT) met precisiestandaarden op de doelfrequentie.
Stop het kristal in de testbus. De aansluiting definieert een geschikte belastingscapaciteit voor de meting.
Stel het aandrijfniveau in op het meetniveau dat is opgegeven in het gegevensblad van de kwarts (meestal 10 µW of 100 µW).
Verricht een transmissiemeting S21, zoek naar het minimum bij serieresonantie.
Bereken ESR uit het insertieverlies bij het resonantieminimum.
ESR = 2 - R₀ - ( 10^(-|S21|/20) - 1 ) (met R₀ = 50 Ω voor een open π-netwerk)
Metingsmethode B: Actieve brug / Saunders-methode (productie- en QA-methode)
Commerciële kwartsmeetbruggen (Saunders, TTi) meten rechtstreeks ESR, serieresonantiefrequentie fs, belastingsresonantiefrequentie fL en bewegingsparameters L1, C1, C0. Ze worden gebruikt bij inkomende goederen en QA-tests.</p
<p class="text-justify">Voordeel: directe weergave van de ESR in ohm, automatische regeling van het aandrijfniveau, meettijd enkele seconden per kristal.
Methode C: In-circuit schatting (veldmethode, alleen voor plausibiliteitscontroles)
Als er maar één oscilloscoop beschikbaar is, kan de ESR indirect worden bepaald met de serieweerstandmethode. Deze methode wordt primair gebruikt om de veiligheid van de transiëntrespons te bepalen (zie aparte post over -Rneg) en geeft een bovenste schatting van de ESR als secundair resultaat.
Principe
Een variabele serieweerstand Rtest wordt doorgelust tussen het kristal en een van de capaciteitsknooppunten (meestal de XOUT-zijde). De weerstandswaarde waarbij de oscillatie net stopt, komt overeen met de grenswaarde:</p
<p class="text-centre">Rtest_max + ESR ≈ |-Rneg|
Als |-Rneg| bekend is uit de specificatie van de oscillator, kan hieruit een bovengrens voor ESR worden geschat. Deze methode is niet voldoende voor een nauwkeurige absolute meting.
Typische ESR-waarden
| Kwartsoort | Frequentiebereik | ESR typical | ESR max (datasheet) |
|---|---|---|---|
| 32,768 kHz horloge quartz standaard (afhankelijk van kastversie) | 32,768 kHz | 35 - 65 kΩ | 70 - 90 kΩ |
| 32,768 kHz Klok Quartz LRT-Low-ESR | 32,768 kHz | 40 - 45 kΩ | 50 kΩ |
| MHz quartz SMD 3.2 × 2.5 mm | 8 - 50 MHz | 40 - 80 Ω | 100 Ω |
| MHz quartz SMD 2.0 × 1.6 mm | 16 - 54 MHz | 60 - 120 Ω | 150 Ω |
| LRT kwarts SMD03025/4 | 8 - 60 MHz | 20 - 50 Ω | 80 Ω |
| LRT-Quartz SMD02016/4 | 16 - 60 MHz | 30 - 70 Ω | 100 Ω |
| MHz kwarts in 5032 THT verpakking | 4 - 40 MHz | 20 - 40 Ω | 60 Ω |
Rating regel
Vuistregel voor robuust ontwerp Als de MCU een maximale ESR_max_IC specificeert, mag de werkelijke ESR van het gebruikte kristal niet meer dan 50-70% van deze waarde zijn. Voorbeeld: op het gegevensblad van de MCU staat ESR_max = 70 Ω → gewenste kwarts ESR 30 - 50 Ω. Dit laat een reserve voor temperatuur- en verouderingsdrift, verstrooiing van componenten en een mogelijk lage |-Rneg|. |
</figuur>.
Invloed van temperatuur op de ESR
De ESR is hoger bij lage temperaturen. Voor 32,768 kHz kristallen kan de ESR bij -40 °C oplopen tot 2 - 3 keer de waarde bij +25 °C. Voor MHz-kristallen is de temperatuurcoëfficiënt gewoonlijk +10 - 20% tussen +25 °C en -40 °C.
Het volgende geldt daarom: de meting en de evaluatie van het gegevensblad moeten altijd het gespecificeerde temperatuurbereik bestrijken.
| Quartz | ESR bij +25 °C | ESR bij -40 °C (typ.) | Factor |
|---|---|---|---|
| 32.768 kHz standaard (afhankelijk van versie) | 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 standaard 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 |
</figuur>
Vaak voorkomende fouten in de ESR-meting
Meting met onjuist aandrijfniveau: ESR is afhankelijk van de aandrijving. Houd u altijd aan het meetniveau zoals aangegeven in het gegevensblad.
Missing calibration of the π network: leidt tot systematische fouten van 20 - 50 %.
Mixing van R1 en ESR: Gegevensbladen specificeren soms R1 (serie RLC tak), soms ESR bij de belastingsresonantiefrequentie. Beide verschillen enigszins (ESR ≈ R1 - (1 + C0/CL)²). Controleer welke waarde wordt bedoeld.
In-circuit metingen zonder rekening te houden met de parasitaire spoorweerstanden in het pad.
LRT technologie: standaard lage ESR
Alle oscillerende kristallen die PETERMANN-TECHNIK levert, maken gebruik van de exclusieve LRT-technologie (Low ESR Resonator Technology). Door hun ontwerp hebben deze kristallen zeer lage ESR-waarden over het gehele gespecificeerde temperatuurbereik, waardoor de circuitontwerper zelfs bij zwakke oscillatortrappen in moderne low-power MCU's over voldoende swingreserve beschikt.
Verder informatie
De betekenis van de ESR voor de transiëntrespons en de relatie met de negatieve ingangsweerstand worden gedetailleerd beschreven in de praktische gids "Optimaal afstemmen van kristallen op IC's" (secties F en F.3). Dit bericht biedt meetpraktijken en specifieke aanbevelingen voor grenswaarden.</p
<p>U hebt vragen over de implementatie
Onze frequentie-experts ondersteunen u bij het selecteren van het juiste kristal, het uitvoeren van metingen in uw circuit en het bieden van ondersteuning bij het ontwerp tot aan 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
Uw succes is ons doel.
