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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FAQs
Comment dimensionner correctement les capacités externes C1 et C2 sur l'oscillateur de Pierce ?
Le dimensionnement de C1 et C2 dépend de la capacité de charge requise CL du quartz et de la capacité parasite Cstray du circuit réel. Dans le cas d'un câblage symétrique avec C1 = C2 = CX, la relation CL = CX / 2 + Cstray s'applique, d'où CX = 2 - (CL - Cstray). Dans la pratique, une simple valeur de la fiche technique ne suffit souvent pas, car le circuit imprimé, les broches du CI et le layout influencent également la capacité de charge effective. Comme valeur de départ, on calcule souvent une Cstray typique d'environ 2 pF, mais la conception réelle devrait être vérifiée sur la carte cible. Cela permet de faire fonctionner le quartz plus près de son point de fonctionnement spécifié et d'améliorer la précision de la fréquence.
Pourquoi Cstray est-il si important dans la conception des condensateurs de commutation à quartz ?
Cstray décrit les capacités parasites du circuit qui, en plus des condensateurs externes C1 et C2, agissent sur la capacité de charge du quartz. Il s'agit entre autres des capacités d'entrée de XIN et XOUT, des capacités des pistes conductrices et des influences du layout. Si Cstray n'est pas correctement pris en compte, la capacité de charge effective se déplace et, par conséquent, la fréquence de l'oscillateur aussi. C'est précisément pour cette raison qu'un calcul purement théorique à partir de la fiche technique ne suffit pas dans de nombreux cas. Seule la prise en compte de la carte de circuit imprimé réelle permet une conception robuste du circuit à quartz.
Comment déterminer de manière fiable la capacité parasite Cstray sur le circuit imprimé ?
Une méthode de laboratoire simple et fiable est la méthode de variation avec deux équipements symétriques différents pour C1 et C2. On utilise par exemple des condensateurs C0G/NP0 de 10 pF et 22 pF et on mesure à chaque fois l'écart de fréquence résultant par rapport à la fréquence nominale en ppm. Cstray peut être déterminé sans ambiguïté à partir des deux points de mesure et de la sensibilité au tirage du quartz de la fiche technique. Il est également possible de mesurer la capacité entre XIN ou XOUT et GND à l'état non alimenté à l'aide d'un LCR-mètre précis. Les deux méthodes aident à mieux saisir la capacité de charge réelle du circuit et à adapter les valeurs des condensateurs de manière ciblée.
Quels sont les instruments de mesure et les composants nécessaires à la détermination de Cstray et à la vérification de C1/C2 ?
Pour la méthode de variation, deux jeux de condensateurs C0G/NP0 de haute qualité avec des valeurs nettement différentes sont nécessaires, par exemple 10 pF et 22 pF. En outre, un compteur de fréquence avec une résolution d'au moins 0,1 ppm et une référence externe est utile pour détecter de manière fiable les petites variations de fréquence. Pour les mesures sur l'oscillateur, il convient d'utiliser une sonde FET à faible capacité, inférieure à 1 pF, afin de ne pas charger inutilement le circuit. Pour les tests de capacité in-circuit, un LCR-mètre précis convient, idéalement avec un signal de mesure de 1 MHz et une faible tension de mesure. Cet équipement permet de faire correspondre proprement le calcul et le comportement réel du circuit à quartz.
Pourquoi le circuit à quartz devrait-il être réalisé de manière aussi symétrique que possible avec C1 = C2 ?
Un câblage symétrique avec des valeurs identiques pour C1 et C2 permet d'obtenir une capacité de charge définie et facilement calculable sur l'oscillateur de Pierce. Cela permet d'appliquer directement la formule de conception et de simplifier l'adaptation à la CL spécifiée du quartz. Les montages asymétriques avec C1 ≠ C2 peuvent dégrader le comportement au démarrage et influencer défavorablement la répartition du drive-level. Cela peut avoir un effet négatif sur la stabilité, la position en fréquence et la fiabilité de l'oscillateur. Dans la pratique, une conception symétrique est donc la solution préférée dans la plupart des cas.
Pourquoi PETERMANN-TECHNIK dimensionne les capacités externes C1/C2 et détermine Cstray ?
PETERMANN-TECHNIK aide les développeurs à concevoir avec précision des circuits à quartz sur des circuits imprimés réels, en combinant les connaissances des fiches techniques et les techniques de mesure pratiques. Cela est particulièrement important car C1, C2 et Cstray déterminent ensemble la capacité de charge effective et donc la position de fréquence réelle. L'entreprise accompagne les clients dans le choix du quartz approprié, dans les mesures dans le circuit et dans la vérification jusqu'à la validation de la série. Cette assistance proche de l'application permet de réduire les erreurs d'adaptation, les itérations inutiles et les écarts de fréquence dans le processus de conception. Pour les applications industrielles B2B, PETERMANN-TECHNIK est ainsi un partenaire compétent pour des solutions d'oscillateurs résistantes et stables en fréquence.
