Condensadores de carga diferentes (15 y 10 pF) en cristal de cuarzo de 32.768 Hz

La pregunta es ¿va a ser mejor?

Me parece que será un poco mejor porque reducirá el error entre los dos relojes; los condensadores hacen eso: recortan la respuesta de fase del filtro formado alrededor del cristal, la impedancia de salida del silicio y el condensador. en la salida Estoy pensando en topologías de oscilador Pierce aquí como esta: -

Pero se aplica igualmente a otras topologías de osciladores de cristal.

C1 y R1 agregan un poco de cambio de fase adicional que se necesita para hacer que el circuito oscile porque, sin que estén presentes, no se puede alentar a una puerta inversora perfecta a producir los pocos grados adicionales y no oscilará. Esto sucede de vez en cuando y la pregunta vinculada a continuación está relacionada.

Por supuesto, incluso sin R1 como componente real, la impedancia de salida interna de la puerta sirve como R1. Tenga en cuenta que para el oscilador de perforación, R puede ser interno al "chip" o estar realmente presente en la placa de circuito.

Resultó que le faltan por completo los condensadores en el cristal.

Siempre habrá capacitancia en la entrada de una puerta, por lo que representa quizás 5 pF y un ligero retraso en el inversor (solo unos pocos nanosegundos) puede provocar el cambio de fase adicional necesario para que el circuito oscile. Sin embargo, algunos circuitos sin capacitancia de salida nunca oscilarán.

¿Cuáles son las consecuencias de soldar diferentes capacitores al cristal de cuarzo?

Se le demostraron diferentes capacitancias cuando no se instalaron capacitores reales. El condensador de entrada podría haber sido de 5 pF y el retraso de la puerta inversora provoca el cambio de fase adicional necesario para que el oscilador oscile. Es un poco impredecible como este, pero puede funcionar.

Aquí hay una imagen de una simulación que hice hace algún tiempo que muestra el diagrama de Bode de un cristal de 10 MHz y dos condensadores. Los capacitores en la entrada y la salida de la compuerta se variaron simultáneamente como se muestra. Todo el eje X cubrió alrededor de 100 kHz, por lo que pone en contexto lo poco que puede cambiar un oscilador de cristal en realidad: -

Si varié el condensador entre 20 pF y 10 pF, puede ver el rango de frecuencia donde la función de transferencia pasa por 180 grados. Un poco por debajo de 10 pF hay un punto en el que el cambio de fase nunca alcanza los 180 grados y la única forma en que el circuito oscilará es con la compuerta inversora funcionando con suficiente cambio de fase adicional por encima de los 180 grados que se espera que entregue.

El circuito no podrá oscilar si el inversor tiene que funcionar a una frecuencia superior al nodo antirresonante para producir el cambio de fase adicional requerido.

Imagen de arriba tomada de mi respuesta aquí .

Aquí hay una nueva gráfica del cambio de fase cuando solo se varía el capacitor de salida (el capacitor de salida es el que normalmente se asocia con la salida del inversor): -

Oscilará con 20 pF, 10 pF y casi oscilará con cerca de 5 pF pero más bajo y teóricamente no oscilará.

La frecuencia nominal de cada XTAL la especifica el fabricante del cristal y se define en cierta "carga" del cristal. Si la carga es diferente, la frecuencia de las oscilaciones también será diferente. Este efecto se llama " pullabilidad de cristal ", y Andy Aka tiene una buena demostración de esto. La capacidad de tracción típica es de aproximadamente +-100 ppm para 5 pF en desviación de carga total.

A efectos prácticos, sus resultados experimentales indican lo siguiente:

1. sin límites (y IC y los parásitos de seguimiento de la placa solo presentan la carga), tiene +115 ppm (5 min más rápido en un mes, 43200 min).

2. con límites de 15 pF, tiene -15 ppm (4 min sobre 260,000 min).

3. En base a esto, e interpolando linealmente (en primera aproximación), necesita un límite de 13,2 pF para llegar a 0 ppm. (Puede compensarlo con 10pF más 3 pF por encima, o simplemente pedir dos tapas de 13 pF de Digi-Key, + $7.99 de envío)

NOTA: si la carga se divide de manera desigual, se producirán cambios en las amplitudes de la señal en los extremos del cristal, lo que podría no ser una buena idea.

NOTA 2: los 15 ppm son realmente un muy buen resultado, excelente resultado, ya que por lo general la tolerancia mecánica es de alrededor de 20 - 50 ppm solo. Además, la frecuencia depende bastante de la temperatura ambiente, por lo que su resultado variará según el clima y la estación.

Para obtener una mejor precisión, las personas colocan osciladores (con cristales) en recintos estabilizados térmicamente. Alternativamente, la corrección periódica (una vez por semana) a través de los servicios de hora de Internet también funciona, como se hace en todas las PC hoy en día.

Esas 2 tapas, junto con el cristal, forman un resonador y un divisor de voltaje. Claramente, el oscilador todavía funciona, con 10pF y 15pF instalados. Lo que sabe es que la proporción de 10/15 o 15/10 (dependiendo de qué límite esté en el amplificador Vout y cuál esté en el amplificador Vin) todavía no afecta el margen de ganancia del bucle de retroalimentación. Puede intercambiar las 2 posiciones y determinar si el oscilador aún oscila (mantiene el tiempo) y mantiene un buen tiempo.

Sí, puedes hacerlo mejor (mantener un mejor tiempo). Suelde una tapa de truco en los 10pF; un truco consiste en dos cables aislados trenzados juntos por 1/2" o 1" o 2".

Tome prestado un contador de frecuencia y establezca la frecuencia en 1 parte en 300 000 (base de tiempo de 10 segundos) para obtener una precisión de 10 segundos por mes, o siga experimentando con el límite de trucos durante los meses.

Un artículo escrito hace décadas por un tipo, Vittoz, famoso en los círculos de IC por su trabajo sobre osciladores de cristal para la industria relojera suiza, discutía cómo las variaciones de ganancia del amplificador (variaciones de transconductancia) ponen en riesgo la capacidad de oscilar. Eso me desconcertó. El artículo de Eric Vittoz trazó el lugar geométrico de las raíces para las variaciones de ganancia, mostrando cómo para una ganancia muy baja y una ganancia muy alta, los comportamientos del bucle se cruzaron desde el plano izquierdo (con el cambio de fase necesario) hacia el plano derecho (que ya no proporciona el cambio de fase adecuado). Para una ganancia moderada (transconductancia), el oscilador de cristal oscilaría.

Hace un par de años, mientras experimentaba con un prototipo de herramienta simuladora de fase magnética, me di cuenta de que la Rout (como dijo Andy) era clave para satisfacer los criterios de Barkhausen de exactamente (EXACTAMENTE) N*360 grados. Y en el artículo de Vittoz, el caso de una transconductancia muy alta (una gran gm impulsando una C) significaba que el ancho de banda era muy alto, la constante de tiempo era muy rápida y se generaba poco cambio de fase en la frecuencia del cristal.

He modelado esta situación, para Qs de un billón (10^12) y me acerqué a una resolución de microHertz alrededor de las resonancias en serie y en paralelo. La ruta (o gm o transconductancia) es de hecho parte de la condición de bucle de Barkhausen, debido a la interacción con toda la capacitancia (incluidos los diodos ESD y la capacitancia pin-pin en los marcos de conexiones IC) en el amplificador Vout.

La pregunta es ¿va a ser mejor?

5 min/mes son aproximadamente 100 ppm. Esos cristales generalmente se especifican a 20 ppm y generalmente dentro de 5 ppm a temperatura ambiente. Para que puedas hacerlo mejor.

La capacidad de extracción de esos cristales es limitada, algo bueno. 20 ppm es típico. en su caso, parece ser de 60 ppm.

Una manera fácil de hacer que funcione aquí es un condensador de truco. Fácil de hacer. Antes de ir allí, primero reduciría el capacitor un poco dentro de 20 ppm, y también lo haría en el lado más rápido (-> capacitancia de carga más pequeña).

¿Cuáles son las consecuencias de soldar diferentes capacitores al cristal de cuarzo?

lo haría más lento. No es lo que quieres ahora.