capacitancia de carga del oscilador de cristal, otra vez

  

¿Hay una respuesta verdadera a la pregunta? Todo parece muy   frustrante para mi ¿Por qué no arranca un oscilador?

Un oscilador de cristal no se iniciará cuando el cristal y los condensadores conectados a cada lado no produzcan un cambio de fase de 180 grados a la entrada del inversor dentro del chip.

El inversor produce efectivamente un cambio de fase de 180 grados, por lo que, para que comience la oscilación, los dos condensadores y el cristal juntos deben formar un cambio de fase adicional de 180 grados Y debe haber una ganancia de voltaje general mayor que 1.

Observe esta respuesta: imita un cristal y un condensador, pero no alcanza los 180 grados: -

V1eslafuentedevoltajedeactivaciónyR2(100ohmios)representalaimpedanciadesalidadelacompuertainvolucradaeneloscilador.Mireconcuidado,elángulodefasenoalcanzalos180gradosyestosignificaráqueNOHAYOSCILACIÓN.

Lospocosgradosadicionalesdedesplazamientodefaseprovienendelcondensadordesalidaenelinversor:los100ohmios(olaimpedanciadesalidadelinversor)Yestacapacitanciaadicionalempujaeldesplazamientodefaseamásde180gradosyelosciladoroscilará.

Aquíhayunaimagenquemuestraelefectodeaumentarlacapacitanciadeentradaysalidadesde1pFhasta20pF:-

El eje X está en 9.9 MHz FYI. Como puede ver, solo cuando la capacitancia es de 10 pF o 20 pF, el circuito produce 180 grados de desplazamiento de fase. Esto significa que el oscilador oscilará en el punto de la mano izquierda en cada curva de fase en que la respuesta cruza 180 grados (punto de resonancia paralelo sintonizado por la capacitancia externa).

Entonces, necesitas condensadores para hacer funcionar este tipo de oscilador y el fabricante te dice qué usar, pero, en mi humilde opinión, hay muchas sutilezas en torno a que algunos fabricantes tal vez no lo saben bien o no lo harán. te lo digo También agregaré que parece que hay muy pocos artículos web sobre lo que realmente está sucediendo y la verdadera importancia de cada capacitor.

  

¿Por qué la eliminación de los condensadores de carga externos hace que se inicie?

Tal vez la autocapitancia de las pistas y la capacitancia de entrada de la puerta sean suficientes. Depende también de la Q del cristal y es difícil especular. Tal vez la velocidad de giro del inversor es demasiado lenta?

AN2867 de ST también es una excelente nota de aplicación que debe leer. Además de la transconductancia del oscilador, casi TODOS los fabricantes de circuitos integrados no especifican las capacidades de entrada y salida del oscilador. Esos realmente deberían incluirse en el cálculo del condensador de carga y pueden hacer una gran diferencia. Naturalmente, las capacidades de PCB también deben tenerse en cuenta, y son más fáciles de estimar utilizando varias herramientas de diseño de PCB (el kit de herramientas de PCB de Saturno es una buena aplicación gratuita).

La única forma real de garantizar la funcionalidad completa del oscilador (después de realizar los cálculos de diseño) es probarlo en todo el rango de temperatura y los voltajes operativos. Algunos fabricantes de cristal también ofrecen servicios para hacer exactamente esto. Conozco a Abracon, y el costo actual es de alrededor de 800 USD para la caracterización completa de un cristal en un circuito de aplicación.

La condición de la oscilación, como menciona Andy, es que se cumplan los criterios de Barkhausen (cambio de fase alrededor del bucle un múltiplo integral de 2 \ $ \ pi \ $ y ganancia de \ $ \ ge \ $ 1).

Un buen fabricante de cristal le dará la información que necesita para garantizar la oscilación, sin embargo, falta una pieza: la transconductancia \ $ g_m \ $ del amplificador CMOS: la cantidad de cambio de corriente de salida que obtiene para una cantidad determinada de entrada cambio de voltaje Los fabricantes de circuitos integrados no quieren especificar esto (sí, les he preguntado a los principales fabricantes de MCU). Cambia con la temperatura, por supuesto, y varía de una unidad a otra. El resultado final es que nadie (excepto usted) se atasca al garantizar que su producto realmente funcionará con un cristal externo.

Le sugiero que lea esta nota técnica y los materiales a los que se hace referencia para empezar. Hay al menos un libro entero dedicado a los osciladores de cristal.

En cuanto a los condensadores de carga, las ecuaciones que se dan son equivalentes (la segunda asume la situación habitual con los condensadores del mismo valor). Si desea que el cristal oscile lo más cerca posible de la frecuencia marcada, en promedio, debe hacer coincidir la capacidad de carga total con lo que el fabricante de xtal ha especificado especificando los dos condensadores (por lo general, ambos tienen el mismo valor, por lo que tiene solo un grado de libertad). Si los condensadores hacen que el oscilador no sea confiable, elija un cristal diferente o un chip diferente, o viva con un ligero error de frecuencia. O especifique un módulo de oscilador de cristal y transfiera el riesgo a un proveedor externo.

Si el cristal realmente oscilará de manera confiable en todas las condiciones con todas las instancias de un número de pieza de chip dado es realmente una pregunta ortogonal (y probablemente la más importante es que a las aplicaciones no les importa el error de +/- 0.01% en el cristal frecuencia, pero el oscilador de cristal no se inicia es un problema grave).

No es parte de su pregunta, pero la potencia máxima de la unidad también es un factor que debe comprobarse, especialmente con cristales más pequeños y cristales de diapasón. Los cristales más viejos a menudo pueden tomar 1 mW de potencia, pero los nuevos más pequeños tienen máximos mucho más bajos. A menudo, una resistencia en serie (de la salida) es útil para reducir la potencia de la unidad, pero por supuesto reducirá la ganancia, por lo que en algún valor el oscilador no podrá iniciarse.