Câblage des quartz oscillants MHz

Oscillateur de Pierce : dimensionnement, capacité de charge et optimisation CEM

1 Introduction et objectif

Les quartz oscillants (résonateurs à quartz) sont l'élément de référence de fréquence privilégié dans de multiples applications. Leur excellente stabilité en fréquence et leur petite taille les rendent indispensables - à condition que le circuit environnant soit correctement dimensionné.

Cette note d'application traite de manière pratique du câblage de quartz oscillant MHz dans un circuit d'oscillateur de Pierce classique.

L'accent est mis sur les points suivants :

• fonction et choix de la résistance série R_S
• Calcul et sélection des capacités de charge C1 / C2
• garantie d'une oscillation fiable dans toutes les conditions de fonctionnement
• Optimisation CEM selon CISPR 25 - réduction des émissions d'harmoniques

2 Exposé du problème

Il s'agit concrètement dans cette note d'application d'un quartz de base de 40 MHz dans un boîtier céramique de 3.2x2.5mm/4pad avec une capacité de charge de 12 pF. La plage de température de travail est de -40/+125°C, resp. l'ESR max. 35 Ohm (-40/+125°C) pour ce quartz 40 MHz LOW ESR compatible avec l'AEC-Q200. La tolérance de fréquence du quartz oscillant a été spécifiée à ±10ppm à +25°C, et une stabilité de température de ±50 ppm sur la plage de température -40/+125°C.

Dans le cadre du nouveau développement d'une application automobile, le client a constaté que lors de la mesure des émissions selon la norme CISPR-25, un dépassement de la valeur limite a été constaté à environ 360 MHz, ce qui peut éventuellement être lié au quartz oscillant.

Le circuit de l'oscillateur comprend une résistance parallèle de 1 Mohm, ainsi qu'une résistance en série et deux capacités de 12pF chacune vers GND.

Question du client : Comment doit-il dimensionner le R_S pour qu'il n'y ait plus d'interférences CEM et à quoi doit-il veiller en outre en ce qui concerne la précision de la fréquence et le comportement transitoire du quartz oscillant de 40 MHz ?

3 Principes de base de l'oscillateur de Pierce

3.1 Topologie du circuit

L'oscillateur de Pierce est constitué de quatre composants principaux :

3.2 Condition d'oscillation (critère de Barkhausen)

Pour que l'oscillateur oscille et reste stable, deux conditions doivent être remplies simultanément :

• Condition d'amplitude : |R_neg| > ESR du quartz (typiquement facteur 5× recommandé).
• Condition de phase : La rotation totale de la phase dans le chemin de rétroaction est de 360°.

La résistance d'entrée négative R_neg d'un inverseur CMOS typique se situe à 40 MHz dans la plage de -200 Ω à -1000 Ω. Avec une ESR de 35 Ω, la condition d'amplitude est en principe facile à remplir - mais sans R_S, elle est incontrôlée et associée à une puissance d'entraînement élevée.

Remarque : la réserve de gain (gain margin) doit être au moins 5 fois supérieure à la valeur minimale afin de couvrir les variations dues à la température, à la tension d'alimentation et à la tolérance des composants. Pour les applications automobiles, le facteur de marge d'oscillation requis est >10.

4 La résistance sérielle R_S

4.1 Fonction et importance

Contrairement à ce que l'on pourrait croire au premier abord, R_S n'est pas un emplacement de montage optionnel, mais un composant critique pour la fonction, qui remplit plusieurs fonctions :

4.2 Recommandation de dimensionnement

Les valeurs indicatives suivantes s'appliquent à un quartz de 40 MHz avec ESR = 35 Ω et C_L = 12 pF :

Remarque : Recommandation : avec R_S = 330 Ω à 470 Ω, on est toujours du côté de la sécurité dans la pratique pour la plage de fréquences 10-50 MHz. En cas de problèmes CEM avérés, 470 Ω est le premier point de départ.

4.3 Considération des limites

Un R_S trop grand peut violer la condition d'oscillation si la résistance négative de l'inverseur est faible. Règle générale pour la limite supérieure :

R_S_max ≈ |R_neg| / 5 - ESR.

Pour R_neg = -300 Ω (hypothèse conservatrice pour 40 MHz) : R_S_max ≈ 300/5 - 35 = 25 Ω ... Cela montre : La résistance négative réelle doit être connue ou déduite de la fiche technique du CI utilisé. En cas de doute, toujours effectuer des mesures à Tmin et Vcc_min.

Attention : si R_neg est inconnu : R_S = 330 Ω avec vérification par des mesures de mise en service (oscilloscope, analyseur de spectre) dans des conditions extrêmes (-40 °C, Vcc_min).

5 Capacités de charge C1 et C2

5.1 Calcul de la capacité de charge effective

La capacité de charge effective C_L_eff que voit le quartz résulte du montage en série de C1 et C2 auquel on ajoute la capacité parasite de fuite C_stray de la piste conductrice et du plot du CI :

C_L_eff = (C1 × C2) / (C1 + C2) + C_stray

C_stray se situe dans la plage 2-5 pF sur un PCB typique. Pour la conception, C_stray = 3 pF est utilisé comme hypothèse réaliste.

5.2 Comparaison : 12 pF vs. 18 pF par condensateur

5.3 Recommandation

C1 + C2 = 18 pF est le choix optimal pour un quartz avec une capacité de charge de C_L = 12 pF sur un PCB standard. Ce choix est

• rencontre presque exactement la capacité de charge spécifiée pour C_stray ≈ 3 pF
• réduit complètement l'erreur de fréquence positive par rapport à C1=C2=12 pF
• améliore la suppression des harmoniques d'environ 3 dB
• est moins sensible aux variations de capacité parasite dans le layout

Remarque : Si C_stray ne peut pas être estimé avec certitude sur le PCB, il est recommandé d'équiper 22 pF avec la possibilité de réduire à 18 pF ou 15 pF (emplacements d'équipement NP). Cela permet une optimisation itérative de la fréquence sans reconception du PCB.

6 Optimisation de la CEM - CISPR 25

6.1 Cause de l'émission d'harmoniques à 360 MHz

Un dépassement de la valeur limite à 360 MHz dans le cadre de mesures CISPR 25 est un phénomène connu pour les oscillateurs de Pierce de 40 MHz. 360 MHz correspond à la 9e harmonique du fondamental (9 × 40 MHz = 360 MHz).

La cause principale est la pente abrupte de l'inverseur CMOS : les temps de commutation de l'ordre de 0,5 à 2 ns génèrent un riche spectre d'harmoniques qui, sans un filtrage passe-bas suffisant, parvient sur les pistes conductrices sans être atténué.

6.2 Chaîne d'action et calcul de l'atténuation

Le filtre passe-bas RC, que R_S forme avec C1 (ou C2), fournit l'atténuation suivante à 360 MHz :

Atténuation [dB] = 20 × log₁₀(f / f_c) avec f_c = 1 / (2π × R_S × C)

6.3 Ensemble de mesures

Les mesures suivantes sont recommandées par ordre de priorité :

Attention : aucune de ces mesures ne doit être considérée isolément. La combinaison de R_S = 470 Ω et C1/C2 = 18 pF est la première étape recommandée ; elle s'adresse à la cause (filtrage passe-bas) et pas seulement au symptôme.

7 Liste de contrôle du dimensionnement

Cette liste de contrôle résume toutes les étapes pour un montage correct de l'oscillateur de Pierce :

8 Circuit de référence : quartz de 40 MHz

Le tableau suivant montre le circuit de référence entièrement dimensionné pour un quartz de 40 MHz avec C_L = 12 pF et ESR = 35 Ω :

9 Erreurs fréquentes et mesures correctives

10 Normes complémentaires et littérature

• CEI 60122-1 : Résonateurs à quartz - Définitions et méthodes de mesure
• CISPR 25 : Limites et méthodes de mesure des perturbations radioélectriques dans les véhicules
• Colpitts, E. H. (1918) : Brevet d'origine de l'oscillateur Colpitts/Pierce
• Marvin, A. / Dawson, J. : Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation, Van Nostrand Reinhold

Clause de non-responsabilité : cette note d'application est fournie à titre indicatif uniquement. Toutes les dimensions doivent être vérifiées par des mesures sur le produit final. PETERMANN-TECHNIK GmbH décline toute responsabilité pour les dommages éventuels résultant de l'utilisation de ces informations.