Capacitancia de carga del oscilador de cristal, nuevamente

¿Hay una única respuesta verdadera a la pregunta? Todo me parece muy frustrante. ¿Por qué no arranca un oscilador?

Un oscilador de cristal no se iniciará cuando el cristal y los condensadores conectados a ambos lados no produzcan completamente un cambio de fase de 180 grados hacia 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 capacitores 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.

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

V1 es la fuente de voltaje impulsor y R2 (100 ohmios) representa la impedancia de salida de la puerta involucrada en el oscilador. Mire con cuidado, el ángulo de fase no alcanza los 180 grados y esto significará que NO HAY OSCILACIÓN.

Los pocos grados adicionales de cambio de fase provienen del condensador de salida en el inversor: los 100 ohmios (o cualquiera que sea la impedancia de salida del inversor) Y esta capacitancia adicional empuja el cambio de fase más allá de 180 grados y el oscilador entonces oscilará.

Aquí hay una imagen que muestra el efecto de aumentar la capacitancia de entrada y salida de 1 pF hasta 20 pF: -

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 cambio de fase. Esto significa que el oscilador oscilará en el punto de la izquierda en cada curva de fase que la respuesta cruce 180 grados (punto resonante paralelo sintonizado por la capacitancia externa).

Por lo tanto, necesita condensadores para hacer que este tipo de oscilador funcione y el fabricante le dice qué usar, pero, en mi humilde opinión, hay muchas sutilezas que algunos fabricantes tal vez no conocen completamente o no le dirán. . También agregaré que parece haber 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 autocapacitancia de las pistas y la capacitancia de entrada de la puerta sean suficientes. Depende también de la Q del cristal y es difícil especular. ¿Quizás la velocidad de respuesta 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 marcar una gran diferencia. Naturalmente, las capacitancias de PCB también deben tenerse en cuenta, y son más fáciles de estimar utilizando varias herramientas de diseño de PCB (Saturn PCB toolkit 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 voltajes operativos. Algunos fabricantes de cristales también ofrecen servicios para hacer exactamente esto. Abracon es uno que conozco, 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 oscilación, como menciona Andy, es que se cumpla el criterio de Barkhausen (cambio de fase alrededor del bucle un múltiplo entero de 2$\pi$y ganancia de$\ge$1).

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

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

En lo que respecta a los condensadores de carga, las ecuaciones que proporciona 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, iguala la capacitancia de carga total con lo que el fabricante xtal ha especificado especificando los dos capacitores (generalmente ambos tienen el mismo valor, por lo que tiene solo un grado de libertad). Si los capacitores hacen que el oscilador no sea confiable, elija un cristal diferente o un chip diferente, o viva con un ligero error en la frecuencia. O especifique un módulo de oscilador de cristal y traslade 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: puede que a las aplicaciones no les importe el error de +/-0.01% en la frecuencia del cristal, pero el oscilador de cristal que no arranca es un problema grave).

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