Dlaczego kondensatory kryształowe uważa się za szeregowe?

13

Próbuję wybrać kryształ i kondensatory do taktowania MCU, a z tego, co zrozumiałem, mój kryształ potrzebuje pojemności obciążenia 30 pF (jest to określone w arkuszu danych ), aby poprawnie działać. Sposób, w jaki to zrobiłbym, to:

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

Jednak wszyscy mówią mi, że powinienem to zrobić:

schematyczny

zasymuluj ten obwód

Ponieważ kondensatory są w jakiś sposób połączone szeregowo. Dla mnie to nie ma sensu: używam jeszcze jednego kondensatora, a kondensator po prawej stronie znajduje się obok wyjścia o niskiej impedancji falownika, więc po prostu nie widzę go szeregowo. Ponadto mój projekt wykorzystuje jeden kondensator mniej. czego mi brakuje?

FrancoVS
źródło

Odpowiedzi:

10

Istnieją dwa aspekty pojemności obciążenia. Kryształ widzi pojemność między dwoma końcami kryształu. Zazwyczaj obwód oscylatora potrzebuje pewnej pojemności między jednym końcem kryształu a ziemią, ale ma to mniejsze znaczenie dla kryształu.

Gdyby dwa końce kryształu poruszały się w górę i w dół w sposób doskonale przeciwfazowy, a dwa kondensatory obciążające były zwymiarowane zgodnie z odwrotnym stosunkiem amplitud, wówczas prąd płynący z jednego kondensatora do ziemi dokładnie odpowiadałby prądowi płynącemu z ziemi do drugi kondensator, taki, że jeśli jeden odłączy uziemienie, ale pozostawi kondensatory połączone ze sobą, działanie obwodu nie ulegnie zmianie. W takiej sytuacji byłoby oczywiste, dlaczego wartość szeregowa pojemności miałaby mieć znaczenie, ponieważ jedyną wymaganą pojemnością byłyby dwa kondensatory połączone szeregowo.

W praktyce dwa końce kryształu nie oscylują dość dokładnie o 180 stopni, a kondensatory nie są dopasowane do stosunku amplitudy, więc w pokrywach płynie niewielki prąd uziemienia, ale generalnie jest to tylko niewielka część całkowity prąd maksymalny, więc dominującym zachowaniem jest nadal zachowanie dwóch maksymalnych wartości w szeregu.

supercat
źródło
Dlaczego prąd, który przepływa przez C2, ma w ogóle znaczenie? Czy falownik nie powinien być w stanie pozyskiwać tego prądu?
FrancoVS,
3
@FrancoVS: W obwodzie oscylatora falownik zostanie zaprojektowany tak, aby miał bardzo ograniczony prąd wyjściowy; gdyby inwerter nie był w ten sposób ograniczony, konieczne byłoby szeregowe dodanie rezystora. Użyj falownika z wyjściami wysokoprądowymi, a żaden opornik prawdopodobnie nie spowoduje przedwczesnej awarii kryształu.
supercat,
ah, to wyjaśnia sprawę z serii. Ale dlaczego więc nie użyć jednej nakrętki 30pF w poprzek kryształu?
FrancoVS,
2
@FrancoVS: Gdyby nie było żadnej pojemności do ziemi, a falownik miałby zakres napięć wejściowych, które spowodowałyby, że wyjście nie było ani źródłem ani prądem opadającym, wtedy ilekroć wejście było pod takim napięciem, oba końce kryształu unosiłyby się. Prawdopodobnie można by umieścić jedną czapkę równolegle do kryształu i nałożyć drugą czapkę na ziemię na jednym jej końcu, ale użycie odpowiednio dobranej pary kondensatorów w zwykły sposób będzie bardziej wydajne.
supercat,
5

Obracanie tego schematu pokazuje, dlaczego można rozważyć pojemność w krysztale jako interpretowaną szeregowo. Obciążenie jest mierzone w poprzek XTAL, a nie względem ziemi

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

poważny
źródło
2
Rzeczywiście, ale zależy to również od tego, gdzie wzmacniacz jest podłączony. Ale to, co opublikował PO, to oscylator Pierce'a ; bardziej szczegółowe obliczenia znajdują się na str. 3 tutaj , ale można to przybliżyć, jak powiedziałeś.
Fizz
4

Prawdą jest, że standardowy projekt oscylatora Pierce'a, który można znaleźć w starożytnych notatkach / arkuszach danych, wykorzystuje równe kondensatory:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Ale to naprawdę nie jedyna rzecz, która mogłaby zadziałać , chociaż widzę, że lewą, a nie prawą, czapkę pominięto:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Nie mówisz, jaką częstotliwość wybierasz ... ani jakiego wzmacniacza / układu używasz. Wszystko to ma znaczenie, jeśli chcesz zaprojektować własne, a nie postępować zgodnie z zaleceniami dotyczącymi książek kucharskich.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Nawet znacznie prostsze podejścia projektowe muszą uwzględniać przynajmniej pojemności wejściowe i wyjściowe zastosowanego wzmacniacza:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Jeśli umieścisz dużą czapkę tylko po jednej stronie xtal, ale po drugiej stronie masz tylko znacznie mniejszą czapkę pojemności wejściowej (lub wyjściowej) wzmacniacza, jaka będzie całkowita (szeregowa) pojemność? Prawdopodobnie będzie raczej nieprzewidywalny i zdominowany przez małą pojemność.

Izolowanie xtal od dostrzegania małych pojemności jest jednym ze sposobów na poprawę jego stabilności (chociaż ten ostatni schemat jest rzadko używany, o ile mi wiadomo).

wprowadź opis zdjęcia tutaj

I wracając do pierwszej aplikacji:

Konstrukcja oscylatora jest w najlepszym razie sztuką niedoskonałą. Należy zastosować kombinacje teoretycznych i eksperymentalnych technik projektowania.

Wypróbuj swoją [najlepiej na karcie SIM], a następnie na prawdziwej planszy i sprawdź, czy warto spróbować zapisać tę czapkę.

A ponieważ znaczenie mają cechy wzmacniacza / sterownika, zwróć również uwagę na kilka wskazówek z przypisu ST :

Wielu producentów kryształów może na żądanie sprawdzić zgodność mikrokontrolera / parowania kryształów. Jeśli parowanie zostanie uznane za prawidłowe, mogą dostarczyć raport zawierający zalecane wartości CL1 i CL2, a także pomiar rezystancji ujemnej oscylatora.

Wreszcie, czasami celowo wprowadza się nierównowagę między tymi pułapkami w celu zwiększenia napięcia wyjściowego oscylatora (w tym celu należy zmniejszyć lewy jeden), ale zwiększa to również rozpraszanie mocy na Xtal:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Syczeć
źródło
4

Uważam, że nie jest pomocne traktować kryształowe kondensatory jako połączone szeregowo. Obaj wykonują podobne prace, ale działają w różnych częściach obwodu. Pierwszy kondensator (i najważniejszy) jest na powrocie powrotnym do wejścia falownika: -

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Lewa część powyższego obrazu pokazuje równoważny obwód kryształu 10 MHz wraz z kondensatorem 20pF (C3) do masy. V1 jest źródłem napędzającym, a po prawej stronie nakreśliłem odpowiedź częstotliwościową i fazową. Zwróć też uwagę na obecność R2 (którą wyjaśnię poniżej).

Przy nieco ponad 10 MHz kąt fazowy obwodu wynosi bardzo blisko 180 stopni, co jest ważne, ponieważ kryształ jest napędzany przez falownik. Falownik wytwarza przesunięcie fazowe o 180 stopni (inaczej inwersję), a kryształ i jego zewnętrzne kondensatory wytwarzają kolejne 180 stopni, a więc 360 stopni i dodatnie sprzężenie zwrotne.

Również w celu utrzymania oscylacji wzmocnienie musi być większe niż 1. W odniesieniu do powyższego obrazu, przy bardzo nieznacznie powyżej 10 MHz obwód wytwarza wzmocnienie, tj. H (s) jest większy niż 1 i oscylacja wystąpi, jeśli sieć wytworzyła przesunięcie fazowe o 180 stopni .

Po co dodawać dodatkowy kondensator po stronie napędu kryształu?

To nie tylko zapobiega zbyt mocnemu napędzaniu kryształu, ale powoduje kilka dodatkowych stopni przesunięcia fazowego i umożliwia oscylację obwodu. Zwróć uwagę na rezystor 100 omów oznaczony R2 - ogranicza prąd do kryształu, ale dodatkowy kondensator do uziemienia w tym punkcie doda niezbędne przesunięcie fazowe.

Wiele kryształowych obwodów oscylatora nie pokazuje tego rezystora szeregowego, ponieważ wykorzystuje niezerową impedancję wyjściową falownika. Jeśli posiadasz stosunkowo mocny falownik (zdolny do sterowania wieloma dziesiątkami mA), potrzebny jest rezystor i zastanów się - kto zamierza nakleić 20pF na surową moc wyjściową falownika bez rozważania rezystora szeregowego?

Powiązane pytanie: Projektowanie oscylatora

Andy aka
źródło
dlaczego krystaliczne arkusze danych określają „pojemność obciążenia”, która według Pana stanowi tylko połowę rzeczywistej pojemności obciążenia? Ponadto, czy C2 (na moim rysunku) nie byłby zależny od rezystancji szeregowej falownika?
FrancoVS,
@FrancoVS Nie mówię tego - moje twierdzenie jest takie, że pojemność obciążenia jest tym, co pojawia się na pierwszym diagramie (C1). C2 jest w pewnym stopniu zależne od wewnętrznych elementów falownika, ale nie rozumiem, w jaki sposób jest to związane z ładowaniem xtal.
Andy aka
Chodzi mi o to, że większość samouczków, które czytam, mówią mi, że dobrym sposobem na określenie C1 i C2 jest założenie, że są one równe i że powinienem je określić tak, aby ich pojemność szeregowa była równa wartości „pojemności obciążenia” na krysztale arkusz danych (ignorowanie pojemności płyty). Jeśli dobrze rozumiem, co mówisz, jest to błędne: C1 jest kondensatorem obciążającym (dlatego prezentuję 60pF kryształowi, który oczekuje 30pF), a C2 wcale nie zależy od kryształu: należy go określić zgodnie z do falownika.
FrancoVS,
@FrancoVS Słyszę dokładnie to, co mówisz i wydaje się, że wszystkie zwykłe samouczki na Xtals dzielą pojemność po obu stronach i zwykle jednakowo. O ile chodzi o moją analizę, napędzany koniec xtal to kilka garści omów lub dziesiątki omów. Powiedzmy, że 50 omów maks. Teraz spójrz na impedancję 22pF po stronie wejściowej bufora. Przy (powiedzmy) 10 MHz impedancja wynosi 723 Ω. To mi mówi, że obciążenie xtal to 22pF szeregowo z 50 omami. Nałożenie kolejnego 22pF na wyjście to tylko bocznikowanie 50 omów.
Andy alias
Oczywiście wszystko to zakłada, że ​​równoważny obwód xtal dostarczany z kart danych producenta jest precyzyjny wokół częstotliwości roboczej. Nic z mojego doświadczenia nie prowadzi mnie do przekonania, że ​​ograniczenie wyjścia falownika służy do czegokolwiek innego niż kształtowanie fali wyjściowej, aby „łatwiej” na delikatnym małym xtal.
Andy aka