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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FAQs
Que sont les capacités parasites Cpar sur le circuit imprimé et pourquoi sont-elles critiques pour les oscillateurs à quartz ?
Les capacités parasites Cpar entre XIN/XOUT et la masse sont inévitables dans tout circuit à quartz. Elles se composent de la capacité de la broche du CI, des capacités de la piste, de la pastille et du boîtier et se situent typiquement entre 1 pF et 3 pF par côté, mais peuvent aussi être nettement plus élevées. Ces capacités supplémentaires augmentent la capacité de charge effective du quartz et influencent ainsi directement le point de fonctionnement de l'oscillateur. En même temps, l'amplitude de -Rneg diminue, ce qui peut dégrader la sécurité d'oscillation. Cela est particulièrement critique pour les designs avec une capacité de charge spécifiée faible, par exemple pour les quartzs MHz jusqu'à 10 pF ou les quartzs 32,768 kHz jusqu'à 6 pF, car le pourcentage de Cpar y est particulièrement élevé.
Comment déterminer de manière fiable la capacité parasite Cpar avec la méthode de variation de fréquence ?
La méthode de variation de fréquence est considérée comme la méthode la plus fiable pour déterminer la Cpar, car elle permet de détecter les influences parasites dans des conditions de fonctionnement réelles. Elle consiste à utiliser deux montages différents avec des condensateurs C0G/NP0 précis, par exemple C_A et C_B, et à mesurer à chaque fois la fréquence de l'oscillateur qui en résulte. Cpar peut être calculé indirectement à partir des écarts de fréquence en ppm, de la sensibilité au tirage S connue du quartz et de la capacité de charge spécifiée CL_spec. Il est important que les deux équipements génèrent des valeurs CL_eff aussi proches que possible de CL_spec, afin que l'approximation linéaire reste valable. Pour une précision absolue, il est recommandé d'utiliser un compteur de fréquence avec une résolution d'au moins 0,1 ppm ainsi qu'une référence stable telle que GPS ou OCXO.
Quand la mesure LCR est-elle utile pour déterminer la Cpar et quelles sont ses limites ?
La mesure LCR en mode désactivé est une méthode complémentaire particulièrement adaptée à la caractérisation de prototypes et à la comparaison de différentes variantes de layout. Son avantage est qu'elle peut être réalisée sans oscillateur oscillant, ce qui la rend pratique dans les premières phases de développement. Toutefois, cette méthode ne mesure qu'une limite inférieure du comparateur de fonctionnement ultérieur, car la capacité de la broche du circuit intégré dépend de la tension. Entre l'état désactivé et l'état activé, cette capacité peut typiquement varier de 0,5 pF à 1,5 pF. C'est pourquoi la méthode LCR est utile pour les analyses de tendance et les comparaisons de layout, mais pour une précision absolue, il faut préférer la méthode fréquentielle.
Quelles influences de layout augmentent les capacités parasites chez XIN/XOUT et comment peut-on réduire Cpar ?
Les capacités parasites sont largement influencées par l'agencement du circuit imprimé. Les pistes longues, les grandes pastilles, les influences défavorables du boîtier et les capacités supplémentaires sur les broches du CI augmentent Cpar et décalent ainsi la capacité de charge effective du quartz. Dans la pratique, cela entraîne non seulement des écarts de fréquence, mais peut aussi dégrader la sécurité d'oscillation de l'oscillateur. En particulier pour les conceptions CL basses, même de petites valeurs pF supplémentaires ont un impact significatif. C'est pourquoi la Cpar doit être réduite de manière ciblée par un layout compact, des connexions courtes et un placement optimisé du quartz et des condensateurs de charge.
Pourquoi la détermination de Cpar est-elle particulièrement importante pour les quartz à faible capacité de charge ?
Dans les applications alimentées par batterie, les fabricants de circuits intégrés prescrivent souvent des quartz avec des capacités de charge très faibles, par exemple 8 pF pour les quartz MHz ou même 3 pF à 4 pF pour les quartz 32,768 kHz. Dans de telles conceptions, toute capacité parasite supplémentaire a un impact particulièrement important, car elle représente un pourcentage élevé de la capacité de charge totale. De ce fait, le point de fonctionnement de l'oscillateur se déplace plus rapidement hors de la plage optimale. Cela peut dégrader la précision de la fréquence et nuire à la sécurité d'oscillation. C'est pourquoi une détermination quantitative de Cpar est décisive pour harmoniser proprement le quartz, les condensateurs de charge et le layout.
Pourquoi PETERMANN-TECHNIK détermine les capacités parasites Cpar sur le circuit imprimé ?
PETERMANN-TECHNIK soutient les clients industriels en leur apportant un savoir-faire approfondi en matière de quartz, d'oscillateurs et de circuits déterminant la fréquence. L'entreprise vous accompagne dans le choix du quartz approprié, dans les mesures effectuées directement dans votre circuit et dans l'optimisation technique jusqu'à la validation de la production en série. C'est justement lors de la détermination des capacités parasites Cpar que l'expérience pratique est décisive, car les conditions de fonctionnement réelles, la sensibilité au tirage et les influences de la disposition doivent être évaluées avec précision. PETERMANN-TECHNIK propose à cet effet des connaissances d'expert proches de l'application et apporte son soutien pour l'interprétation des résultats de mesure ainsi que pour la réduction ciblée de Cpar par des mesures de layout appropriées. Vous obtenez ainsi une base solide pour des démarrages d'oscillateurs stables, des fréquences précises et un design-in sûr.
