¿Capacidad de carga para un cristal de microcontrolador?

Sé que hay muchas preguntas similares aquí, pero he leído muchas de ellas y todavía estoy un poco confundido.

Soy un estudiante que hace una placa similar a Arduino Pro Micro, usando un microcontrolador Atmega32U4. La versión de SparkFun muestra el circuito de cristal así:

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La imagen de arriba muestra el uso de condensadores de 22pF, y estoy tratando de determinar cuál debería ser la capacidad de carga del cristal.

Encontré que la fórmula para los capacitores es: CL = (C1 * C2) / (C1 + C2) + Cs

Si asumo que la capacitancia parásita es 5pF (parece ser una suposición algo estándar) y uso capacitores de 22pF, entonces la ecuación anterior da: CL = (22*22)/(22+22) + 5 = 16pF

Entonces, si quiero usar condensadores de 22pF en el circuito, necesito un cristal con una capacidad de carga de 16pF, ¿correcto? Mirando en Digi-Key, lo más cercano que veo es 18pF.

Si usar un valor aproximado para la capacitancia de carga del cristal (como 18pF cuando se calculan 16pF) es inaceptable, entonces podría ir en la otra dirección, primero eligiendo el cristal y, en función de su capacitancia de carga, calcule los valores de capacitores requeridos.

Por ejemplo, veo un cristal con una capacidad de carga de 8pF, por lo que usando la ecuación anterior puedo calcular CL = 6pF. Sin embargo, cada esquema que veo para un circuito Arduino o Atmega muestra el uso de condensadores de 18pF, 20pF o 22pF, lo que me hace preguntarme si son aceptables valores de condensador más bajos, como 6pF.

Respuestas (1)

Hay mucha desinformación sobre esto. La capacitancia de carga especificada para el cristal es lo que debería estar a través del cristal desde el punto de vista del cristal . Como primera reacción, esa es la combinación en serie de los dos casquetes C2 y C4.

Sin embargo, hay mucho más en juego allí y varias suposiciones (generalmente inválidas) están incorporadas en esta fórmula común e instintiva. En lugar de reglas empíricas, mire lo que realmente está sucediendo. Dos cosas que pueden cambiar significativamente la carga capacitiva aparente a través del cristal son la capacitancia parásita y la impedancia del controlador que conduce la señal de entrada al cristal.

Considere cómo se ve este circuito si la impedancia de la salida del controlador de cristal es 0 (fuente de voltaje perfecta). El límite de esa salida es irrelevante, y la carga que ve el cristal es el límite de salida completo. Para tener una idea de para qué rango de impedancia es relevante, considere que la magnitud de impedancia de 22 pF a 16 MHz es 450 Ω. ¿La impedancia de la salida que impulsa el cristal es de 450 Ω o menos? Muy posiblemente sí. Sin embargo, esto rara vez se especifica, por lo que debe adivinar.

También debe adivinar cuál podría ser la capacitancia parásita. Diría que su cifra de 5 pF es razonable, dado un diseño razonable. Entonces, si el controlador de cristal tiene una impedancia infinita, la carga capacitiva en el cristal es de 16 pF. Si tiene impedancia 0, la carga en el cristal es de 27 pF. La realidad, por supuesto, está en algún punto intermedio.

En realidad, para cristales de microcontroladores típicos normales en algún lugar alrededor de 10 MHz (el factor de 2 es lo suficientemente cercano), 22 pF en ambos lados es una buena apuesta.

El punto de todo esto es que hay muchas incógnitas que no puedes explicar. Este es un lugar que no se puede analizar hasta el más mínimo detalle. Si dos límites de 22 pF parecen ponerlo en el estadio de béisbol, simplemente siga con eso. Eso es lo que hago, y no he tenido ningún problema. Afortunadamente, los cristales tienen una curva de frecuencia muy pronunciada y un factor de 2 en cualquier sentido de la capacitancia de carga especificada suele estar bien. Si necesita más de unas pocas décimas de PPM, entonces probablemente necesite hacer algunas pruebas con instrumentos cuidadosamente calibrados.

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