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Méthodes de mesure pratiques pour le post "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" - Section B

Article encyclopédique : Adapter les quartz aux CI

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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

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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 (&lt ; 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	&lt ; 5 ppm	En ordre
\|Δf/f\| à +25 °C	5 - 15 ppm	Adapter C1/C2
\|Δf/f\| à +25 °C	&gt ; 15 ppm	Vérifier la variante CL, déterminer Cpar
Différence XIN / XOUT	&lt ; 2 ppm	Mise en page symétrique
Cpar (de la méthode variationnelle)	1 - 3 pF	Gamme normale typique
Cpar	&gt ; 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 &lt ; 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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