Adapter les quartz de manière optimale aux CI

Pour qu'un oscillateur à quartz (quartz oscillant dans l'étage oscillateur d'un CI) oscille de manière stable, précise et fiable, le quartz utilisé doit être adapté de manière optimale aux exigences du CI concerné.

Les capacités de charge, les conditions d'oscillation, le niveau de commande (courant du quartz) ainsi que les facteurs de disposition sur le circuit imprimé sont décisifs.

Cet article explique de manière compacte et orientée vers la pratique comment réussir à accorder correctement une horloge à quartz et quelles sont les erreurs les plus fréquentes dans la pratique.

Les quartz sont des composants qui déterminent la fréquence et dont la précision dépend fortement de leur environnement électrique. Les fabricants de microcontrôleurs spécifient typiquement :

• la capacité de charge requise (CL)
• niveau d'entraînement admissible
• temps de démarrage nécessaire
• topologie de l'oscillateur et gain interne.

Ce n'est que si ces paramètres correspondent au quartz que l'oscillateur fonctionnera dans ses tolérances et répondra aux exigences temporelles telles que le sans fil, l'USB, le CAN, l'Ethernet, les vitesses de transmission UART, etc.

La capacité de charge définit le point de fonctionnement de la fréquence d'oscillation. Chaque quartz est réglé sur une certaine CL (par ex. 8 pF, 12 pF, 16 pF).

La capacité de charge effective résulte de

Les capacités externes C1 et C2 sont choisies de telle sorte que :

Le niveau de drive (typiquement 1-200 µW) indique la puissance que le quartz peut supporter en permanence.

Un niveau de drive trop élevé entraîne :

• un vieillissement et une dérive accrus
• Augmentation de la stabilité de la fréquence
• Augmentation de la résistance de résonance en série
• Défaillances dues à des fissures dans la plaquette de quartz.

Un niveau de commande trop bas provoque :

• un démarrage peu fiable
• augmentation de la gigue

Les CI d'oscillateurs indiquent généralement le niveau de drive typique et maximal ; il est recommandé de le mesurer.

Comme nous développons nous-mêmes les designs des résonateurs pour les quartzs SMD que nous livrons, nous pouvons également livrer des quartzs oscillants MHz dans de petits boîtiers en céramique avec une résistance élevée du niveau de commande. Le mini-quartz Low ESR de la série SMD03025/4 jusqu'à 500 µW, ou le quartz MHz ultra-miniature de la série SMD02016/4 jusqu'à 400 µW.

Le temps de démarrage dépend de :

• Gain de l'oscillateur dans le CI
• Résistance série équivalente (ESR) du quartz
• capacité de charge du quartz oscillant
• Valeurs des capacités de commutation externes
• Température et tension d'alimentation

Des valeurs CL trop élevées allongent souvent considérablement le temps de démarrage → problématique pour les MCU de faible puissance avec des cycles de mise en veille.

L'ESR a une influence :

• la réponse transitoire et la sécurité anti-vibratoire
• la consommation d'énergie
• Comportement transitoire à de faibles courants de quartz.

De nombreux CI spécifient un ESR maximal (par ex. 70 Ω). Si le quartz se situe au-dessus de ce seuil, l'oscillateur ne peut pas démarrer en toute sécurité.

Pour les quartz, la règle est la suivante :

• placer le quartz + les condensateurs le plus près possible du CI
• pistes conductrices courtes et symétriques
• pas de signaux ou de plans de masse directement sous le quartz - réduit les capacités parasites
• îlot GND dédié pour les condensateurs
• Si possible, mettre le quartz sur GND (pour nos quartz oscillants SMD en boîtier céramique, les pastilles #2 et #4 peuvent être mises sur GND. Mais veuillez mettre immédiatement le quartz sur GND et ne plus le modifier pour l'accord de fréquence dans le circuit.

Ces mesures améliorent la CEM, la gigue et le comportement au démarrage.

• mauvais choix de CL → erreur de fréquence
• Quartz avec ESR trop élevé → ne démarre pas de manière fiable
• niveau de drive dépassé → quartz dérivant fortement
• mauvais layout → oscillation instable
• capacités parasites mal prises en compte

L'adaptation optimale d'un quartz à un circuit intégré est cruciale pour la fiabilité de l'oscillateur et le fonctionnement à long terme du résonateur à quartz dans le circuit (adaptation du niveau de commande). Avec une capacité de charge correcte, un niveau de drive correct, une ESR appropriée et une bonne disposition, les développeurs peuvent garantir des références de fréquence stables.

Aperçu

Les diagrammes présentés décrivent les mécanismes physiques et électriques qui déterminent le comportement au démarrage et en fonctionnement d'un oscillateur de Pierce stabilisé par quartz. L'accent est mis en particulier sur :

• la résistance d'entrée négative de l'étage de l'oscillateur,
• le modèle de perte du quartz (ESR),
• la condition de démarrage selon le critère de Barkhausen,
• la structure temporelle du niveau d'entraînement,
• les capacités parasites ainsi que
• les facteurs d'influence liés à la configuration.

Ces paramètres sont déterminants pour la réserve de sécurité transitoire, le temps de réponse transitoire, la précision de la fréquence, la gigue et la stabilité à long terme.

(représentation supérieure gauche)

Ce graphique montre le circuit classique de l'oscillateur de Pierce, tel qu'il est intégré dans la plupart des microcontrôleurs et ASIC. L'oscillateur de Pierce est basé sur un amplificateur inverseur qui est forcé à fonctionner en mode linéaire par rétroaction via le quartz. Dans ce point de fonctionnement, l'étage d'entrée peut être décrit par un modèle de remplacement de petit signal avec une partie réelle négative de l'impédance.

Mathématiquement, on peut dire

(représentation supérieure du milieu)

Cette représentation montre le quartz avec les deux condensateurs de circuit externe C₁ et C ₂.

Le quartz peut être décrit électriquement par un élément RLC série (_R1, _L1,_C1) avec une capacité de boîtier parallèle _C0. L'ESR (Equivalent Series Resistance) représente les pertes mécaniques du système oscillant.

Le circuit externe avec C₁ et C₂ définit la capacité de charge effective :

(représentation supérieure droite)

La condition de départ nécessaire résulte du critère de Barkhausen :

• Gain de boucle ≥ 1
• Déphasage = 0° (ou 360°)

(représentation inférieure gauche)

Cette courbe montre la structure temporelle de l'amplitude d'oscillation après la mise en marche.

Après la mise en marche, l'oscillateur commence dans la zone de bruit. L'amplitude d'oscillation croît de manière exponentielle en fonction de la fréquence :

(représentation moyenne inférieure)

Les capacités parasites sont dues à :

• broches de CI (typ. 1 - 3 pF)
• pistes conductrices (≈ 0,5 - 2 pF)
• pastilles de soudure et boîtiers

Ces capacités :

• augmentent la capacité de charge effective
• réduisent la valeur de -Rneg
• déplacent le point de fonctionnement optimal

Les designs avec une CL spécifiée plus faible sont particulièrement critiques, car les effets parasites y ont un impact proportionnellement plus important. Dans la plupart des applications alimentées par batterie, les fabricants de CI prescrivent des quartz CMS avec de faibles capacités de charge. Quartz MHz typ. 8 pF. 32.768 kHz Quartz jusqu'à 4 pF. Dans de telles applications, il est conseillé de choisir une tolérance de 1% max. pour les capacités de câblage externes C₁ et C₂. Cela permet de réduire fortement les influences parasites sur la fréquence de travail du quartz.

Signification technique :

• Les capacités parasites augmentent involontairement la capacité de charge effective.
• Elles influencent la fréquence du quartz, le temps et la sécurité d'oscillation, ainsi que la réserve de résistance négative.
• Elles sont particulièrement critiques pour les quartz CL bas (< 10 pF).

Message clé :
Les capacités parasites doivent toujours être prises en compte lors du dimensionnement des condensateurs de charge/capacités de câblage externes.

(représentation en bas à droite)

Cette représentation schématique montre les principes de layout recommandés. La disposition du circuit imprimé influence le comportement du quartz dans le circuit plus qu'on ne le pense souvent.

Signification technique :

• Connecter le quartz et les condensateurs de charge très près du CI.
• Pistes conductrices courtes et symétriques
• Pas de signaux ou de plans de masse sous le quartz
• Conduite de masse déterminée et propre

Message clé :
Un mauvais layout peut rendre inutilisable même un quartz choisi de manière optimale.

La figure montre que le fonctionnement d'un oscillateur à quartz ne dépend pas uniquement du quartz lui-même, mais de l'interaction entre l'oscillateur IC, l'ESR, la capacité de charge, les effets parasites et le layout.

Pour une conception robuste de l'oscillateur, les conditions suivantes doivent être remplies :

• Quartz avecfaible ESRchoisir
• pour garantir une réserve de résistance négative suffisante
• Calculer les capacités de charge de manière réaliste
• Optimiser le layout de manière conséquente
  

Message clé :

Le quartz ne doit pas seulement répondre aux spécifications du CI, mais être nettement inférieur à celles-ci afin de compenser de manière sûre les influences du processus, de la température et du vieillissement.

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