Méthodes de mesure pratiques pour le post "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" - Section B
Article encyclopédique : Adapter les quartz aux CI
.De quoi il s'agit
La capacité de charge CL définit le point de fonctionnement d'un quartz oscillant et donc sa fréquence réelle dans le circuit, également appelée fréquence de travail. Chaque quartz est réglé sur une CL spécifique (typiquement 6 pF, 8 pF, 12 pF, 16 pF, 18 pF ou 20 pF pour les quartz oscillants MHz / 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF et 12,5pF pour les quartz d'horloge 32,768kHz). Si la spécification CL du quartz et la capacité de charge effective du circuit ne coïncident pas, il se produit un décalage de fréquence systématique (frequency shift) - souvent de l'ordre de quelques ppm à plusieurs dizaines de ppm.
Ce billet pratique montre comment la capacité de charge effective peut être vérifiée et validée dans un circuit réel.
Contexte physique
La capacité de charge effective, que le quartz "voit" dans le circuit, résulte du montage en série des deux capacités externes C1 et C2 plus les capacités parasites (Cstray).
CL_eff = (C1 - C2) / (C1 + C2) + Cstray
Cstray se compose de la capacité des broches du circuit intégré, de la capacité des pistes et des pastilles. Les valeurs indicatives typiques dans le layout réel sont de 2 pF - dans les designs compacts et optimisés pour le layout, parfois seulement 1 pF, dans les layouts défavorables ou pour les capacités de broches de CI jusqu'à 7 pF, elles sont proportionnellement plus élevées.
Pourquoi un simple calcul ne suffit pas
Le calcul de la fiche technique donne une bonne valeur de départ, mais ne constitue pas une garantie. Les écarts sont dus à:
- Dispersion en série de la capacité des broches du CI (typiquement ±30 %)
- Variantes de layout (longueurs des pistes, nombre de couches, nombre de via, proximité des plans de masse)
- Tolérances de fabrication des condensateurs de circuit (C0G/NP0 typ. ±5%, standard ±10%, ±1% pour les applications précises comme par exemple les applications radio)
- Dépendance de la température et de la tension de la capacité des broches
.
Une vérification dans le circuit réel est donc obligatoire si la précision de la fréquence est pertinente (sans fil, USB, Ethernet, horloge).
Méthode de mesure A : méthode de fréquence (recommandée dans la série)
Principe de mesure
La fréquence réelle du circuit en cours est mesurée et comparée à la fréquence nominale spécifiée. L'écart de fréquence permet de calculer la capacité de charge effective.
Equipement nécessaire
Compteur de fréquence avec ≥ 0,1 ppm de résolution et référence GPS ou OCXO (par ex. Keysight 53230A, Pendulum CNT-90)
Sonde active, basse capacité (< ; 1 pF, par ex. par ex. sonde FET), afin de ne pas fausser la mesure
Chambre de température recommandée pour la mesure de référence à +25 °C ±1 °C
Exécution
Mettre en service le circuit à +25 °C et à la tension nominale. Laisser chauffer pendant au moins 60 s.
Prendre une sonde de faible capacité sur XOUT (sortie de l'oscillateur). Ne pas toucher XIN - c'est là que la sonde perturbe le plus le point de fonctionnement.
Moyenner la fréquence sur ≥ 10 s de temps de porte et noter : fmess.
Calculer l'écart : Δf/f = (fmess - fnenn) / fnenn - 10⁶ [ppm]
Recalculer la CL effective à partir de Δf/f (voir formule ci-dessous).
Calcul rétroactif de la CL à partir de Δf/f
Formule d'approximation (valable dans le domaine habituel autour de CL_spec) :
Δf / f ≈ - C1_motionnel / (2 - (C0 + CL_eff)²) - (CL_eff - CL_spec)
Avec des paramètres de quartz typiques (C1_motional ≈ 3 fF, C0 ≈ 1 pF), on obtient comme formule empirique utilisable dans la pratique :
ΔCL [pF] ≈ Δf/f [ppm] - (CL_spec + C0)² / (C1_motionnel - 10⁶ / 2)
Plus simple et plus précis : lire la pull-sensitivity sur la fiche technique du quartz (typiquement -15 à -25 ppm/pF) et la convertir ainsi.
ΔCL = Δf/f / S (S = Pull-Sensitivity en ppm/pF)
Méthode de mesure B : méthode variationnelle (pour déterminer le Cstray)
Cette méthode est la variante la plus précise lorsqu'il s'agit de déterminer la capacité parasite du circuit :
C1 et C2 sur une valeur de test symétrique (par ex. 12 pF chacun, C0G ±2 %).
Mesurer la fréquence f1.
C1 et C2 sur une deuxième valeur (par ex.
La Cpar et la capacité de charge effective peuvent être résolues analytiquement à partir de deux points de mesure.
Bien adapté au débogage du premier échantillon, car il permet également de caractériser le layout et les valeurs Cpar déterminées peuvent être réutilisées pour des layouts similaires.
Valeurs typiques et limites d'acceptation
| Critère | Zone verte | Evaluation / mesure |
|---|---|---|
| |Δf/f| à +25 °C | < ; 5 ppm | En ordre |
| |Δf/f| à +25 °C | 5 - 15 ppm | Adapter C1/C2 | |Δf/f| à +25 °C | > ; 15 ppm | Vérifier la variante CL, déterminer Cpar |
| Différence XIN / XOUT | < ; 2 ppm | Mise en page symétrique |
| Cpar (de la méthode variationnelle) | 1 - 3 pF | Gamme normale typique |
| Cpar | > ; 5 pF | Vérifier l'agencement (fils courts, pas de surface GND sous le quartz) |
Exemple de calcul
Quartz : 26.000 MHz, CL_spec = 8 pF, sensibilité à l'excursion S = -18 ppm/pF.
Mesure dans le circuit : fmess = 26.000 234 MHz → Δf/f = +9 ppm.
ΔCL = +9 ppm / (-18 ppm/pF) = -0,5 pF
Interprétation : la capacité de charge effective est inférieure de 0,5 pF à la valeur théorique. Remède : augmenter légèrement C1 et C2. Si C1 = C2, +1 pF par condensateur entraîne ≈ +0,5 pF de CL_eff - donc augmenter de +1 pF chacun.
Conseil pratique Pour les applications avec une grande précision à long terme (ex. par ex. ISM-Band-Wireless, LoRaWAN, base de temps précise), nous recommandons des condensateurs C0G/NP0 tolérés à 1 % pour C1 et C2. Ainsi, les influences extérieures dominantes sur CL_eff sont limitées à < ; 0,1 pF de dispersion. Ne mesurez pas la fréquence réelle directement sur la broche XIN. L'entrée capacitive de la sonde fausse immédiatement le résultat de plusieurs ppm. XOUT ou une broche de CI en aval est un meilleur point de mesure. Il vaut mieux vérifier dans la fiche technique du CI si la fréquence peut être émise par une broche séparée. Dans ce cas, la fréquence de travail du quartz peut être mesurée sans que l'équipement de test/les sondes ne soient influencés. |
Pour aller plus loin
La formule utilisée ici et les relations entre CL, C1, C2 et les capacités parasites sont décrites en détail dans le guide pratique "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" (sections B et C). Ce post complète le guide par la pratique concrète de la mesure.
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FAQs
Comment mesurer et vérifier la capacité de charge CL d'un quartz dans le circuit ?
Dans la pratique, la capacité de charge CL est vérifiée par la fréquence de travail effectivement mesurée du quartz dans le circuit en cours. Pour cela, on fait fonctionner le circuit à la tension nominale et idéalement à +25 °C, on le stabilise pendant au moins 60 secondes, puis on mesure la fréquence sur XOUT avec une sonde active à faible capacité. Il est important de ne pas charger XIN, car le point de fonctionnement de l'oscillateur peut y être perturbé de manière particulièrement sensible. La différence entre la fréquence mesurée et la fréquence nominale permet de calculer l'écart en ppm et d'en déduire la capacité de charge effective. Pour obtenir des résultats précis, il est recommandé d'utiliser un compteur de fréquence avec une résolution d'au moins 0,1 ppm et une référence stable telle que GPS ou OCXO.
Pourquoi le calcul de la capacité de charge effective CL à partir de la seule fiche technique ne suffit-il pas ?
Le calcul avec CL_eff = (C1 - C2) / (C1 + C2) + Cstray est un point de départ judicieux, mais ne représente pas complètement le circuit réel. Les capacités parasites sont en outre générées par les broches de CI, les pistes, les pastilles et les détails de la disposition et peuvent varier considérablement selon la structure. Les dispersions en série de la capacité des broches du CI et les différences de layout du circuit imprimé influencent également le point de fonctionnement réel du quartz. Ainsi, malgré une conception correcte du point de vue du calcul, un décalage systématique de la fréquence de plusieurs ppm à plusieurs dizaines de ppm peut se produire. Lorsque des applications comme le sans-fil, l'USB, l'Ethernet ou des horloges précises exigent une grande précision de fréquence, la vérification dans le circuit réel est donc indispensable.
Quels sont les instruments de mesure et les conditions recommandés pour la mesure de CL dans un circuit à quartz ?
Pour une vérification CL fiable, il convient d'utiliser un compteur de fréquence à haute résolution avec une résolution d'au moins 0,1 ppm. Les appareils stabilisés par GPS ou basés sur OCXO conviennent comme référence, afin que l'incertitude de mesure ne soit pas dominée par le système de mesure lui-même. La sonde doit être active et peu capacitive, idéalement avec une capacité d'entrée inférieure à 1 pF, afin de ne pas fausser le circuit de l'oscillateur. La mesure se fait de préférence sur XOUT, car une intervention sur XIN peut influencer particulièrement fortement le point de fonctionnement. Pour obtenir des résultats reproductibles, il est recommandé d'effectuer une mesure de référence à +25 °C ±1 °C et de prévoir un temps de gate suffisamment long, d'au moins 10 secondes.
Comment peut-on calculer la capacité de charge effective CL à partir de l'écart de fréquence ?
Tout d'abord, l'écart de fréquence relatif est calculé à partir de la fréquence mesurée et de la fréquence nominale en ppm. Ensuite, la capacité de charge effective peut être déterminée à l'aide d'une formule d'approximation ou, plus proche de la pratique, à l'aide de la pull-sensitivity du quartz. La conversion est particulièrement simple avec la pull-sensitivity S indiquée dans la fiche technique en ppm par pF, avec la formule suivante : ΔCL = Δf/f / S. Si la fréquence mesurée est supérieure à la fréquence nominale et que la pull-sensitivity est négative, la capacité de charge effective dans le circuit est trop faible. Dans ce cas, C1 et C2 peuvent être adaptés de manière ciblée afin de ramener le quartz au point de fonctionnement spécifié.
Quand la méthode variationnelle est-elle particulièrement utile pour déterminer Cstray et CL ?
La méthode de variation est particulièrement utile lorsqu'il s'agit de déterminer de manière ciblée la capacité parasite du circuit et de caractériser le layout. Pour ce faire, C1 et C2 sont d'abord définis sur une valeur test symétrique, la fréquence est mesurée et les deux condensateurs sont ensuite modifiés sur une deuxième valeur afin d'obtenir un deuxième point de mesure. Ces deux mesures permettent de déterminer analytiquement Cpar ou Cstray et la capacité de charge effective. Cette procédure est particulièrement utile pour le débogage du premier échantillon, car elle permet de visualiser les influences réelles du layout et du CI. Les valeurs ainsi obtenues peuvent également être réutilisées ultérieurement pour des conceptions similaires en tant que base de départ solide.
Pourquoi PETERMANN-TECHNIK mesure et vérifie la capacité de charge CL dans le circuit ?
PETERMANN-TECHNIK allie un savoir-faire approfondi dans la technique des fréquences à une assistance pratique pour les quartz, les oscillateurs et les circuits déterminant la fréquence. L'entreprise aide les clients non seulement à choisir le quartz approprié, mais aussi à effectuer des mesures directement dans l'application réelle et à l'adapter au circuit intégré concerné. C'est justement lors de la vérification de la capacité de charge CL que l'expérience en matière d'effets parasites, d'influences de layout et d'applications critiques en termes de fréquence est décisive. PETERMANN-TECHNIK accompagne les clients industriels B2B depuis la phase de conception jusqu'à la validation de la production en série et aide à éviter à temps les écarts systématiques de fréquence. Il en résulte des solutions robustes, précises et aptes à la production en série pour des applications électroniques et fréquentielles exigeantes.
