Meet en controleer de belastingscapaciteit CL in het circuit.

Naar het encyclopedie-artikel : Kristallen optimaal afstemmen op IC's

Waar het allemaal om draait

De belastingscapaciteit CL bepaalt het werkpunt van een kwartskristal en dus zijn eigenlijke frequentie in het circuit, ook wel de werkfrequentie genoemd. Elk kristal is getrimd op een specifieke CL (typisch 6 pF, 8 pF, 12 pF, 16 pF, 18 pF of 20 pF voor MHz kwartskristallen / 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF en 12.5pF voor 32.768kHz klokkristallen). Als de CL-specificatie van het kristal en de effectieve belastingscapaciteit van de schakeling niet overeenkomen, treedt er een systematische frequentieverschuiving op - vaak in het bereik van enkele ppm tot enkele tientallen ppm.

Dit praktische bericht laat zien hoe de effectieve belastingscapaciteit kan worden gecontroleerd en gevalideerd in een echte schakeling.</p

<h2>Fysische achtergrond

De effectieve belastingscapaciteit die het kristal "ziet" in de schakeling is het resultaat van de serieschakeling van de twee externe capaciteiten C1 en C2 plus de parasitaire capaciteiten (stray).

CL_eff = (C1 - C2) / (C1 + C2) + Cstray

Cstray bestaat uit IC-pencapaciteit, spoorcapaciteit en padcapaciteit. Typische richtwaarden in een echte lay-out zijn 2 pF - in compacte, voor de lay-out geoptimaliseerde ontwerpen soms slechts 1 pF, in ongunstige lay-outs of met IC-pencapaciteiten tot 7 pF dienovereenkomstig hoger.

Waarom een zuivere berekening niet genoeg is

De berekening uit het gegevensblad geeft een goede beginwaarde, maar is geen garantie. Afwijkingen ontstaan door:

• Seriële spreiding van de IC-pencapaciteit (typ. ±30%)
• Opmaakvarianten (spoorlengtes, aantal lagen, aantal via's, nabijheid van massaplaten)
• Fabricagetoleranties van de circuitcondensatoren (C0G/NP0 typ. ±5%, standaard ±10%, ±1% voor nauwkeurige toepassingen zoals vereist in radiotoepassingen)
• Temperatuur- en spanningsafhankelijkheid van de pincapaciteit

Verificatie in het echte circuit is daarom verplicht als de frequentienauwkeurigheid relevant is (draadloos, USB, Ethernet, timer).

Meetmethode A: Frequentiemethode (aanbevolen in serie)</h2

<h3>Metingsprincipe

De werkelijke frequentie van het lopende circuit wordt gemeten en vergeleken met de gespecificeerde nominale frequentie. De effectieve belastbaarheid kan worden teruggerekend uit de frequentieafwijking.</p

<h3>Verplichte apparatuur

• Frequentieteller met ≥ 0,1 ppm resolutie en GPS- of OCXO-referentie (bijv. Keysight 53230A, Pendulum CNT-90)

Probe actief, laagcapacitief (< 1 pF, bijv. FET probe), bijv. bijv. FET-sonde) om de meting niet te vervalsen

• Temperatuurkamer aanbevolen voor referentiemeting bij +25 °C ±1 °C

Uitvoering

1. Bruik het circuit bij +25 °C en nominale spanning. Laat minstens 60 s opwarmen.

2. Tap XOUT (oscillatoruitgang) af met een probe met lage capaciteit. Raak XIN niet aan - dit is waar de probe het werkpunt het meest verstoort.

3. Gemiddelde van de frequentie over ≥ 10 s gate-tijd en noteer: fmess.

4. Bereken de afwijking: Δf/f = (fmess - fnenn) / fnenn - 10⁶ [ppm]

5. Bereken de effectieve CL terug uit Δf/f (zie onderstaande formule).

Bereken CL terug uit Δf/f

Berekeningsformule (geldig in het gebruikelijke bereik rond CL_spec):

Δf / f ≈ - C1_motional / (2 - (C0 + CL_eff)²) - (CL_eff - CL_spec)

Met typische kwarts-parameters (C1_motional ≈ 3 fF, C0 ≈ 1 pF), is het volgende een praktische vuistregel:

ΔCL [pF] ≈ Δf/f [ppm] - (CL_spec + C0)² / (C1_motional - 10⁶ / 2)

Simpeler en nauwkeuriger: Lees de trekgevoeligheid af van het kwartsinformatieblad (meestal -15 tot -25 ppm/pF) en gebruik deze om te rekenen.

ΔCL = Δf/f / S (S = trekgevoeligheid in ppm/pF)

Metingsmethode B: Variatiemethode (om Cstray te bepalen)

Deze methode is de meest nauwkeurige variant als de parasitaire capaciteit van de schakeling moet worden bepaald:

1. Stel C1 en C2 in op een symmetrische testwaarde (bijv. elk 12 pF, C0G ±2 %).

2. Maak een meting van de frequentie f1.

Stel C1 en C2 in op een tweede waarde (bijv. elk 22 pF).

Cpar en effectieve belastingscapaciteit kunnen analytisch worden opgelost uit twee meetpunten.

Geschikt voor het debuggen van eerste samples omdat het ook de lay-out karakteriseert en de bepaalde Cpar-waarden kunnen worden hergebruikt voor vergelijkbare lay-outs.

Typische waarden en acceptatiegrenzen