Schakelingen van MHz oscillerende kristallen

Pierce-oscillator: Dimensionering, belastbaarheid en EMC-optimalisatie

1 Inleiding en doelstelling

Oscillerende kristallen (kwartsresonatoren) zijn het favoriete frequentiereferentie-element in een groot aantal toepassingen. Door hun uitstekende frequentiestabiliteit en kleine afmetingen zijn ze onmisbaar - op voorwaarde dat het omringende circuit correct gedimensioneerd is.

Deze toepassingsnotitie behandelt de praktische bedrading van MHz oscillerende kristallen in een klassiek Pierce oscillatorcircuit.

De nadruk ligt op

• Functie en selectie van de serieweerstand R_S
• Berekening en selectie van de belastingscapaciteiten C1 / C2
• Zorgen voor een betrouwbare transiëntrespons onder alle bedrijfsomstandigheden
• EMC-optimalisatie in overeenstemming met CISPR 25 - reductie van harmonische emissies

2 Probleemstelling

Deze toepassingsnotitie gaat specifiek over een 40 MHz fundamenteel kristal in een 3,2x2,5mm/4pad keramische behuizing met een belastingscapaciteit van 12 pF. Het werktemperatuurbereik is -40/+125°C, of de ESR max. 35 Ohm (-40/+125°C) voor dit AEC-Q200 compatibele LAGE ESR 40 MHz kristal. De frequentietolerantie van het kristal is gespecificeerd met ±10 ppm bij +25°C en een temperatuurstabiliteit van ±50 ppm over het temperatuurbereik van -40/+125°C.

Tijdens de ontwikkeling van een nieuwe automobieltoepassing ontdekte de klant dat de emissiemeting in overeenstemming met CISPR-25 aantoonde dat de grenswaarde werd overschreden bij ongeveer 360 MHz, wat gerelateerd kan zijn aan het oscillatorkristal.

Het oscillatorcircuit bevat een parallelle weerstand van 1 Mohm, evenals een seriële weerstand en twee condensatoren van elk 12pF naar GND.

Vraag van de klant: Hoe moet hij de R_S dimensioneren zodat er geen EMC-storing meer optreedt en waar moet hij nog meer op letten met betrekking tot frequentienauwkeurigheid en transiëntgedrag van het 40 MHz oscillerende kwartskristal?

3 Basisprincipes van de Pierce-oscillator

3.1 Topologie van het circuit

De Pierce oscillator bestaat uit vier kerncomponenten:

3.2 Oscillatievoorwaarde (Barkhausen-criterium)

Om de oscillator te laten oscilleren en stabiel te laten blijven, moet tegelijkertijd aan twee voorwaarden worden voldaan:

• Amplitude voorwaarde: |R_neg| > ESR van het kwartskristal (meestal factor 5× aanbevolen)
• Fasevoorwaarde: De totale fasedraaiing in het terugkoppelpad is 360°

De negatieve ingangsweerstand R_neg van een typische CMOS inverter bij 40 MHz ligt in het bereik van -200 Ω tot -1000 Ω. Met een ESR van 35 Ω is aan de amplitudevoorwaarde in principe gemakkelijk te voldoen - zonder R_S is het echter ongecontroleerd en gaat het gepaard met een hoog aandrijfvermogen.

Opmerking: De versterkingsmarge moet minstens een factor 5 boven de minimumwaarde liggen om schommelingen in temperatuur, voedingsspanning en componenttolerantie op te vangen. Voor automobieltoepassingen is de vereiste veiligheidsfactor voor transiënte respons >10.

4 De seriële weerstand R_S

4.1 Functie en betekenis

R_S is - in tegenstelling tot de eerste indruk - geen optioneel componentenslot, maar een functiekritisch component met verschillende taken:

4.2 Aanbevolen dimensionering

Voor een 40 MHz kristal met ESR = 35 Ω en C_L = 12 pF gelden de volgende richtwaarden:

Opmerking: Aanbeveling: met R_S = 330 Ω tot 470 Ω zit u in de praktijk altijd aan de veilige kant voor het frequentiebereik 10-50 MHz. Voor bewezen EMC-problemen is 470 Ω het eerste uitgangspunt.

4.3 Grenswaarde in acht nemen

Een te grote R_S kan de oscillatievoorwaarde schenden als de negatieve weerstand van de omvormer laag is. Vuistregel voor de bovengrens:

R_S_max ≈ |R_neg| / 5 - ESR

Voor R_neg = -300 Ω (conservatieve aanname voor 40 MHz): R_S_max ≈ 300/5 - 35 = 25 Ω ... Hieruit blijkt: De werkelijke negatieve weerstand moet bekend zijn of afgeleid worden uit het gegevensblad van het gebruikte IC. Voer bij twijfel altijd metingen uit bij Tmin en Vcc_min.

Let op: Als R_neg onbekend is: R_S = 330 Ω met verificatie door inbedrijfstellingsmeting (oscilloscoop, spectrumanalyser) onder extreme omstandigheden (-40 °C, Vcc_min).

5 Belastingscapaciteiten C1 en C2

5.1 Berekening van de effectieve belastingscapaciteit

De effectieve belastingscapaciteit C_L_eff die de kwarts ziet, is het resultaat van de serieschakeling van C1 en C2 plus de parasitaire strooicapaciteit C_stray van de geleiderbaan en het IC-pad:

C_L_eff = (C1 × C2) / (C1 + C2) + C_stray

C_stray ligt in het bereik van 2-5 pF op een typische printplaat. C_stray = 3 pF is een realistische aanname voor het ontwerp.

5.2 Vergelijking: 12 pF vs. 18 pF per condensator

5.3 Aanbeveling

C1 + C2 = 18 pF is de optimale keuze voor een kristal met een belastingscapaciteit van C_L = 12 pF op een standaardprintplaat. Deze keuze

• voldoet bijna exact aan de gespecificeerde belastingscapaciteit bij C_stray ≈ 3 pF
• vermindert de positieve frequentiefout volledig vergeleken met C1=C2=12 pF
• verbetert de harmonische onderdrukking met ongeveer 3 dB
• is minder gevoelig voor variaties in de zwerfcapaciteit in de lay-out

Opmerking: Als C_stray niet betrouwbaar kan worden geschat op de print, wordt aanbevolen om 22 pF te gebruiken met de optie om te verlagen naar 18 pF of 15 pF (NP-plaatsing). Dit maakt iteratieve frequentieoptimalisatie zonder herontwerp van de printplaat mogelijk.

6 EMC-optimalisatie - CISPR 25

6.1 Oorzaak van harmonische emissie bij 360 MHz

Het overschrijden van de grenswaarde bij 360 MHz in de context van CISPR 25-metingen is een bekend verschijnsel bij 40 MHz Pierce oscillatoren. 360 MHz komt overeen met de 9e harmonische van de grondtoon (9 × 40 MHz = 360 MHz).

De belangrijkste oorzaak ligt in de steile flanken van de CMOS-inverter: schakeltijden in het bereik van 0,5-2 ns genereren een rijk harmonisch spectrum dat de geleiders onverzwakt bereikt zonder voldoende laagdoorlaatfiltering.

6.2 Keten van effecten en verzwakkingsberekening

Het RC laagdoorlaatfilter, dat samen met C1 (of C2) R_S vormt, geeft de volgende verzwakking bij 360 MHz:

Verzwakking [dB] = 20 × log₁₀(f / f_c) met f_c = 1 / (2π × R_S × C)

6.3 Maatregelenpakket

De volgende maatregelen worden aanbevolen in volgorde van prioriteit:

Let op: Geen van de maatregelen mag op zichzelf worden beschouwd. De combinatie van R_S = 470 Ω en C1/C2 = 18 pF is de eerste aanbevolen stap; het pakt de oorzaak aan (laagdoorlaatfiltering) en niet alleen het symptoom.

7 Controlelijst voor dimensionering

Deze checklist vat alle stappen samen voor een correcte bedrading van de Pierce-oscillator:

8 Referentieschakeling: 40 MHz kwartskristal

De volgende tabel toont het volledig gedimensioneerde referentieschakeling voor een 40 MHz kwarts met C_L = 12 pF en ESR = 35 Ω:

9 Veelvoorkomende fouten en herstelmaatregelen

10 Overige normen en literatuur

• IEC 60122-1: Kwartsresonatoren - Definities en meetmethoden
• CISPR 25: Grenswaarden en meetmethoden voor de onderdrukking van radiostoringen in voertuigen
• Colpitts, E. H. (1918): Origineel patent van de Colpitts/Pierce oscillator
• Marvin, A. / Dawson, J.: Ontwerp van kristaloscillatoren en temperatuurcompensatie, Van Nostrand Reinhold

Disclaimer: Deze toepassingsnotitie is alleen bedoeld als richtlijn. Alle afmetingen moeten worden geverifieerd door het eindproduct te meten. PETERMANN-TECHNIK GmbH kan niet aansprakelijk worden gesteld voor schade die voortvloeit uit het gebruik van deze informatie.