Méthodes de mesure pratiques pour le post "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" - Sections C et 5
Article encyclopédique : Adapter les quartz aux CI
.De quoi s'agit-il:
Les deux condensateurs de circuit externes C1 et C2 sur l'oscillateur de Pierce déterminent, avec les capacités parasites du circuit (Cstray), la capacité de charge effective. Une simple valeur de formule tirée de la fiche technique ne suffit généralement pas, car chaque circuit imprimé présente une Cstray individuelle. Ce post montre comment dimensionner correctement C1 et C2 et comment les vérifier dans le circuit.
Formule de départ pour le dimensionnement
Si le circuit est symétrique (C1 = C2 = CX), on a :
CL = CX / 2 + Cstray ⇒ CX = 2 - (CL - Cstray)
De nombreuses fiches techniques indiquent la règle générale suivante comme valeur de départ (CL et CX en pF) :
CX = 2 - CL - 2 - Cstray (Cstray typ. 2 pF)
De l'article original, on obtient pour CL = 12 pF : 2-12 - 2-2 = 20 pF. Pour un Cstray moyen de 2 pF, l'exemple de calcul du lexique (18 pF par côté) conduit à un point de fonctionnement effectif identique - selon la capacité réelle des broches du CI.
Etape 1 : calculer la valeur de départ à partir de la fiche technique
.Le dimensionnement commence toujours par deux valeurs de la fiche technique :
- CL du quartz (par ex. 8 pF, 12 pF, 16 pF, 20 pF)
- Charge capacitive du CI sur XIN/XOUT (généralement 1 - 7 pF par broche ; généralement indiqué dans la fiche technique du MCU comme "CIN/COUT" ou "CLoad")
| CL quartz | Cstray (typ.) | CX Valeur de départ C1/C2 | Gamme |
|---|---|---|---|
| 6 pF | 2 pF | 8 pF | 7 - 12 pF |
| 8 pF | 2 pF | 12 pF | 10 - 15 pF | 10 pF | 2 pF | 16 pF | 15 - 18 pF |
| 12 pF | 2 pF | 20 pF | 18 - 22 pF |
| 12,5 pF | 2 pF | 21 pF | 18 - 22 pF |
| 16 pF | 2 pF | 28 pF | 22 - 30 pF |
| 20 pF | 2 pF | 36 pF | 33 - 39 pF |
Important avant le dimensionnement Vérifiez dans la fiche technique du MCU la capacité de broche indiquée par le fabricant pour XIN/XOUT. Certains MCU modernes à faible puissance ont délibérément augmenté les capacités des broches jusqu'à 7 pF, d'autres seulement 1-2 pF. Calculez avec la valeur réelle, pas avec la règle générale. | |||
Etape 2 : déterminer le Cstray du circuit imprimé (méthode de variation)
Sur la carte cible, le Cstray est déterminé par deux mesures de fréquence à différentes valeurs C1/C2. Il s'agit de la méthode de laboratoire la plus simple et la plus fiable.
Montage de la mesure
Deux jeux de condensateurs C0G/NP0 (±2 %) de valeurs nettement différentes, par exemple 10 pF et 22 pF
Compteur de fréquence ≥ 0,1 ppm de résolution avec référence externe
Sonde FET à faible capacité (< ; 1 pF)
Mise en œuvre
Equipement 1 : C1 = C2 = C_A (par exemple 10 pF) → Mesurer la fréquence f_A.
Equipement 2 : C1 = C2 = C_B (par exemple 22 pF) → Mesurer la fréquence f_B.
Exprimer les deux fréquences en écart à la fréquence nominale : Δf_A, Δf_B en ppm.
Déterminer le strain à partir du système d'équations.
Equation de calcul
De ces deux mesures, on déduit pour la sensibilité au tirage S et la capacité parasite Cstray :
S = (Δf_B - Δf_A) / (CL_B_eff - CL_A_eff) [ppm/pF]
Dans laquelle CL_eff = CX/2 + Cstray. En mettant à égalité la sensibilité au tirage spécifiée (dans la fiche technique du quartz) et en la résolvant selon Cstray, on obtient une valeur unique. Dans la pratique, les développeurs utilisent généralement pour cela un petit tableau Excel ou une application du fabricant de MCU.
Etape 3 : Mesure in-circuit de la capacité effective
.Très élégant et sans soudure : un LCR-mètre précis permet de mesurer la capacité entre XIN (ou XOUT) et GND lorsque le circuit est éteint.
Déroulement de la mesure
- Tension d'alimentation à 0 V, circuit complètement hors tension.
- Désouder le quartz (ou ne pas l'équiper) - uniquement C1, C2, la broche du CI et les pistes conductrices dans le chemin de mesure.
- Mesurer avec un LCR-mètre (signal de mesure 1 MHz, ≤ 100 mV) la capacité XIN → GND et XOUT → GND.
- Les valeurs mesurées doivent correspondre aux valeurs CX calculées + 1...3 pF (IC-Pin).
Prudence avec la mesure LCR La capacité de la broche IC dépend de la tension. C'est pourquoi la mesure LCR à l'état désactivé ne fournit pas exactement la valeur de fonctionnement. Pour les conceptions de précision, la méthode de fréquence (étape 2) est une référence plus fiable. |
Etape 4 : vérifier la symétrie
Un câblage asymétrique (C1 ≠ C2) détériore le comportement au démarrage et la répartition des niveaux de drive. En pratique, nous recommandons :
| Paramètres | Valeur cible | Limite |
|---|---|---|
| Écart C1 par rapport à C2 | ≤ 2 % | ≤ 5 % |
| Tolérance C0G (NP0) | ±2 % | ±5 % |
| Tolérance Céramique standard X7R | non recommandé | - |
| Coefficient de tension | ≤ 1 % en régime V | - |
.
Exemple de calcul selon la méthode variationnelle
Quartz : 24,000 MHz, CL = 8 pF, sensibilité au tirage S = -20 ppm/pF (d'après la fiche technique).
| Equipement | C1 = C2 | fréquence mesurée | Δf/f |
|---|---|---|---|
| Mesure A | 10 pF | 24,000 042 MHz | +1,75 ppm |
| Mesure B | 22 pF | 23,999 928 MHz | -3,00 ppm |
Entre les deux montages, le CX/2 varie de (22-10)/2 = 6 pF. La variation de fréquence mesurée est de -4,75 ppm → S_mesuré = -0,79 ppm/pF - (1/6) = en réalité environ -19,8 ppm/pF, correspond à la fiche technique.
Avec Δf_A = +1,75 ppm pour CX = 10 pF : CL_eff_A = 10/2 + Cstray = 5 + Cstray. De Δf = S - (CL_eff - CL_spec), on déduit CL_eff_A ≈ 8 - (1,75/-20) = 7,91 pF → Cstray ≈ 2,9 pF.
Résultat : Le circuit imprimé a Cstray ≈ 2,9 pF. Valeur cible CX = 2-(8 - 2,9) = 10,2 pF. Un équipement avec 10 pF ±2 % est donc presque exactement dans la cible.
Pour aller plus loin
Les formules et la relation entre CL, C1/C2 et Cstray sont déduites dans le guide pratique "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" (sections B, C et 5). Ce post montre la mesure en laboratoire avec laquelle le calcul est comparé sur votre circuit imprimé réel.
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.Nos experts en fréquence vous aident à choisir le quartz approprié, à effectuer des mesures dans votre circuit et à vous accompagner dans le design-in jusqu'à la validation de la production en série.
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