Méthodes de mesure pratiques pour le post "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" - Sections B et 5
Article encyclopédique : Adapter les quartz aux CI
.De quoi il s'agit
Les capacités parasites (Cpar) entre XIN/XOUT et la masse sont inévitables. Elles se composent de la capacité de la broche du CI, de la capacité de la piste, de la pastille et du boîtier. Les valeurs typiques se situent entre 1 pF et 3 pF par côté, voire nettement plus dans les layouts défavorables ou pour les capacités des broches IC jusqu'à 7 pF.
Ces capacités augmentent la capacité de charge effective, réduisent la valeur de -Rneg et décalent le point de fonctionnement de l'oscillateur. Les designs avec une CL spécifiée basse (quartz MHz ≤ 10 pF, quartz 32,768 kHz ≤ 6 pF) sont particulièrement critiques - ici, les capacités parasites ont un impact important en pourcentage.
Ce billet décrit deux méthodes pratiques pour la détermination quantitative de Cpar.
Pourquoi la Cpar doit être mesurée
Pour des règles empiriques de la fiche technique, on calcule souvent Cpar = 2 pF. La dispersion réelle sur les différents layouts est cependant considérable:
| Type de layout | Cpar typique | effet sur CL_eff |
|---|---|---|
| PCB 4 couches, lignes courtes, quartz directement sur le CI | 1,0 - 1,5 pF | minimal |
| PCB 2 couches, conducteurs longs (> ; 10 mm) | 3,0 - 4,5 pF | significatif, erreur de fréquence CL > ; 10 ppm possible |
| IC avec capacité de broche accrue (CIN jusqu'à 7 pF) | 7 - 9 pF | domine le bilan de capacité | Surface GND directement sous les plots de quartz | 4 - 7 pF | Erreur de mise en page, à corriger impérativement |
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Méthode A : méthode de variation de la fréquence (recommandée)
Deux mesures de fréquence avec des équipements C1/C2 différents fournissent Cpar indirectement par la variation de fréquence. Cette méthode est la plus fiable car elle permet d'obtenir Cpar dans des conditions réelles de fonctionnement (y compris la capacité des broches du CI à la tension nominale et à la température de fonctionnement).
Equipement
- Compteur de fréquence ≥ 0,1 ppm de résolution avec référence GPS ou OCXO
- Deux jeux de condensateurs C0G/NP0 précis (±1 %), par ex. C_A = 10 pF et C_B = 22 pF
- Tête de sonde FET avec ≤ 1 pF de capacité d'entrée (sur XOUT)
- Sensibilité à l'excursion S [ppm/pF] connue du quartz utilisé (d'après la fiche technique, la mesure ou les protocoles de mesure joints à nos livraisons d'échantillons)
Déroulement de la mesure
- Equipement A : C1 = C2 = C_A. Après 60 s de stabilisation, mesurer la fréquence f_A, Δf_A = (f_A - f_nenn)/f_nenn en ppm.
- Equipement B : C1 = C2 = C_B. Mesurer la fréquence f_B, calculer Δf_B.
- Les deux équipements se réfèrent à la même sensibilité au tirage. Le système d'équations permet d'en déduire Cpar.
Calcul
Avec CL_eff_A = C_A/2 + Cpar et CL_eff_B = C_B/2 + Cpar ainsi que Δf = S - (CL_eff - CL_spec), on obtient :
Cpar = CL_spec + (Δf_A / S) - C_A / 2
Pour vérifier, on peut calculer Cpar de la même manière à partir de l'équipement B - les deux résultats devraient correspondre à ±0,3 pF près. S'ils diffèrent davantage, cela indique une sensibilité au tirage erronée, une CL_spec mal indiquée ou une forte influence du niveau de drive.
Exemple de calcul
Quartz : 26 MHz, CL_spec = 8 pF, S = -20 ppm/pF.
| Equipement | C1 = C2 | Δf mesuré | CL_eff de Δf |
|---|---|---|---|
| A | 10 pF | +1,60 ppm | 7,92 pF |
| B | 22 pF | -3,20 ppm | 8,16 pF |
Cpar_A = 7,92 pF - 10/2 = 2,92 pF
Cpar_B = 8,16 pF - 22/2 = -2,84 pF
Les valeurs ne concordent pas (signes différents). Raison : pour l'équipement B, CL_eff est plus grand que CL_spec, d'où un écart négatif. Pour une interprétation correcte, utiliser la formulation avec le signe correct :
CL_eff_A = 5 + Cpar = 7,92 → Cpar = 2,92 pF
CL_eff_B = 11 + Cpar = 8,16 ... ?
La deuxième équation montre une incohérence : 11 + Cpar ne peut pas être 8,16. Cela indique qu'avec C_B = 22 pF, le quartz fonctionne au-dessus de sa CL_spec et que l'approximation linéaire perd sa validité. Dans ce cas, choisir deux équipements avec un étalement plus faible (par exemple C_A = 12 pF, C_B = 18 pF) ou effectuer un calcul exact du schéma de remplacement du quartz.
Remarque : la méthode de la fréquence fonctionne mieux lorsque les deux placements donnent des valeurs CL_eff autour de CL_spec. Cpar ≈ 2,9 pF de l'équipement A est ici le résultat significatif.
Méthode B : mesure du LCR à l'état désactivé
.Méthode complémentaire qui se passe d'oscillation. Elle convient à la caractérisation de prototypes et aux comparaisons entre variantes de layout.
Montage de la mesure
- LCR-mètre de précision avec signal 1 MHz (par exemple Keysight E4980AL, HP 4284A)
- Signal de mesure ≤ 100 mV pour ne pas stresser les diodes d'entrée du CI
- Circuit complètement hors tension (VCC = 0 V, pas de batterie)
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Traversée
- Retirer le quartz de son support (pour les CMS : le dessouder ou ne pas l'équiper).
- Sans C1 et C2 (non équipés) : Mesurer la capacité XIN → GND et XOUT → GND. Cela donne une estimation de la capacité pure des broches et des pistes à la masse.
- Avec C1 et C2 équipés : mesurer à nouveau la capacité XIN → GND et XOUT → GND. La différence avec la mesure sans condensateurs doit correspondre aux valeurs C1/C2 plus une petite capacité parasite (< ; 0,5 pF).
- Cpar ≈ valeur mesurée sans C1/C2.
Limite de la méthode LCR La capacité de la broche du CI dépend de la tension et varie typiquement de 0,5 à 1,5 pF entre l'état éteint et l'état allumé. La mesure LCR ne fournit donc qu'une limite inférieure du compar de fonctionnement. Pour une précision absolue, utiliser la méthode de la fréquence (méthode A). |
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Influences de la mise en page sur Cpar
| Mise en page | Effet sur Cpar | Recommandation |
|---|---|---|
| Raccourcir la piste conductrice de 5 mm | -0,3 à -0,5 pF | toujours |
| Eliminer la surface de GND sous les plots de quartz | -1,0 à -2,5 pF | Qu'il s'agisse de MHz ou de kHz Quartz oscillant = pas de masse directement sous le quartz oscillant | Placer les plots de quartz #2 et #4 sur GND (céramique à 4 plots) | +0 pF, mais amélioration de la CEM | recommandé, mais à définir une fois pour toutes avant l'ajustement fin de la fréquence |
| Via au lieu de piste vers GND | minimal | uniquement si le routage le force |
| Placer le quartz depuis le dessous du circuit imprimé | +0,5 - 1,0 pF | éviter si possible | Piste de signalisation supplémentaire à < ; 1 mm de distance | +0,3 à +1,0 pF | éviter absolument |
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Recommandation pour les designs bas-CL
Dans les applications alimentées par batterie, les fabricants de CI prescrivent souvent des quartz avec des capacités de charge très basses (quartz MHz typiquement 8 pF, quartz 32,768 kHz jusqu'à 3 - 4 pF). Dans de tels designs:
- Utiliser des condensateurs C0G/NP0 tolérés à 1 % pour C1 et C2
- Vérifier le Cpar par mesure de fréquence une fois par layout
- Maximum 3 mm de piste conductrice entre la broche du CI et la pastille du quartz
- Pas de lignes de signal sous ou directement à côté du quartz
- Isle GND dédiée pour les condensateurs de commutation
TS (Tuning Sensitivity) en ppm/pF: Les fabricants de circuits intégrés recommandent de plus en plus l'utilisation de quartzs oscillants avec de faibles capacités de charge (MHz = <6pF, 32.768 kHz = 4pF). Une charge XIN/XOUT moindre réduit la consommation de courant du CI et prolonge ainsi la durée de vie de la batterie tout en augmentant la sécurité d'oscillation. Mais du point de vue de la fréquence, cela signifie un très gros problème pour l'ingénieur de développement. En effet, plus la capacité de charge du quartz est faible, plus la sensibilité au tirage en ppm/pF (législation physique) est élevée. Cela n'a aucune importance pour un circuit de contrôleur normal, mais pour une application radio, cette valeur est essentielle. C'est pourquoi nous recommandons d'utiliser la tolérance de 1% max. pour C1 et C2 dans les applications radio, afin de générer le moins possible de décalage de fréquence capacitif (décalage de la fréquence de travail) de la part du côté. En outre, il ne faut pas négliger la tolérance capacitive sur XIN/XOUT, qui peut atteindre 25%. |
La limite de la méthode LCR
.La capacité de la broche du CI dépend de la tension et varie typiquement de 0,5 à 1,5 pF entre l'état éteint et l'état allumé. La mesure LCR ne fournit donc qu'une limite inférieure du comparateur de fonctionnement.
Pour une précision absolue, utiliser la méthode de la fréquence (méthode A)
.Pour aller plus loin
L'effet des capacités parasites sur le point de fonctionnement, la sécurité d'oscillation et la précision de fréquence est décrit dans le guide pratique "Ajuster les quartz de manière optimale sur les CI" (sections B et 5). Ce post montre comment déterminer quantitativement le Cpar sur votre carte et le réduire de manière ciblée par des mesures de layout.
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