Mesurer le temps de démarrage de l'oscillateur à quartz

Article encyclopédique : Adapter les quartz aux CI

De quoi s'agit-il:

Le temps de démarrage est le temps qui s'écoule entre l'activation de la tension d'alimentation (ou la libération de l'oscillateur dans le MCU) et l'obtention d'une oscillation stable et utilisable. Il est particulièrement critique pour les MCU de faible puissance avec des cycles de veille/réveil fréquents, car chaque processus de démarrage entre directement dans le bilan énergétique et détermine la latence globale.

Exigences typiques : &lt ; 2 ms pour les MCU rapides avec un oscillateur puissant, 2 - 10 ms pour les conceptions standard, 250 - 1000 ms pour les quartz d'horloge de 32,768 kHz.

Grandeurs d'influence

• Gain de l'oscillateur dans le CI (|-Rneg|)
• ESR du quartz
• Capacité de charge CL ou C1, C2 et Cpar réellement efficaces
• Température (-40 °C nettement plus longtemps que +25 °C)
• Tension d'alimentation (VCC faible prolonge le temps de démarrage de façon exponentielle)
• Qualité de la rampe VCC (temps de montée, monotonie)

Définition du temps de démarrage

Le temps de démarrage est généralement défini comme le moment où l'amplitude d'oscillation atteint 90 % de sa valeur finale en régime permanent. Certains fabricants de MCU le définissent différemment comme l'atteinte des niveaux logiques numériques ou la libération du drapeau XOSC-Ready.

Montage de mesure

Equipement

• Oscilloscope ≥ 500 MHz, ≥ 2 GS/s, faible profondeur de mémoire (≥ 1 MPt)
• Sonde active FET sur XOUT (faible capacité d'entrée, ≤ 1 pF)
• Seconde voie sur VCC (directement sur la broche d'alimentation du CI)
• Optionnel : troisième voie sur un GPIO, toggé par le code de démarrage du MCU (ex. par ex. pour l'indicateur XOSC-Ready)
• Pointe de mesure avec référence de masse courte (&lt ; 5 mm) pour minimiser l'inductance de masse

Traversée

1. Déclenchement : flanc sur VCC (par exemple à 50% de Vnom) ou sur le GPIO marquant la mise en marche de l'oscillateur.
2. Définir la base de temps sur la plage de démarrage attendue - pour les quartzs MHz typiquement 0,2 ms/div (fenêtre totale de 2 ms), pour les quartzs 32,768 kHz typiquement 50 ms/div.
3. Enregistrer au moins 3 fois le temps de démarrage attendu pour capturer complètement le processus de stabilisation.
4. Evaluation : déterminer l'enveloppe de l'oscillation XOUT. t_start est l'instant où 90 % de l'amplitude stationnaire sont atteints.
5. Pour l'évaluation en série : enregistrer 10 à 30 démarrages individuels (mode persistant) et évaluer le temps de démarrage le plus long comme le pire cas.

Caractériser le temps de démarrage par la température et la tension

Une seule mesure à +25 °C et à la tension nominale est insuffisante. Pour des conceptions robustes, la matrice suivante est recommandée:

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Interprétation de l'enveloppe

L'enveloppe de l'oscillation entrante suit normalement une fonction exponentielle :

U(t) = U_rausch - exp( t / τ ) avec τ = 2-L1 / (|-Rneg| - ESR)

Deux anomalies fournissent de précieuses indications :

• Plateau dans l'élan (l'amplitude n'augmente plus, puis soudain elle augmente) : Indique une réserve |-Rneg| limite. Fréquent en cas de basses températures ou de VCC faible. Contre-mesure : quartz avec ESR plus faible.

• Suroscillation de l'amplitude (la valeur stationnaire est brièvement dépassée) : Indique une forte amplification, généralement non critique. Mais peut s'accompagner d'une augmentation momentanée du niveau de drive - vérifier les effets du vieillissement sur les quartz très sensibles.

Valeurs de mesure typiques

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Mesures d'amélioration en cas de temps de démarrage trop long

• Choisir un quartz avec un ESR nettement plus faible (facteur 2 - 3 par rapport au maximum de spécification)
• Réduire la capacité de charge si le MCU le permet (abaisser C1/C2 et donc CL_eff)
• Configurer le niveau de gain de l'oscillateur dans le MCU sur "High Drive" / "Fast Start"
• Réduire les parasites de layout (voir le post sur les capacités parasites)
• Pour les quartz d'horloge : dans les applications à faible puissance, privilégier la technologie LRT pour maintenir le temps de démarrage et la réserve transitoire en toute sécurité, même à faible VCC

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Pour aller plus loin

Les relations entre le temps de démarrage, l'ESR, le gain et la température sont décrites dans le guide pratique "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" (sections E et 4). Ce post fournit la pratique de mesure à ce sujet - de la stratégie de déclenchement à la caractérisation de la température.

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