Vérifier la résistance d'entrée négative -Rneg et la réserve de sécurité transitoire

Article encyclopédique : Adapter les quartz aux CI

De quoi il s'agit

La résistance d'entrée négative -Rneg d'un étage oscillateur est la source d'énergie active qui compense les pertes dans le quartz (ESR) et fait croître l'oscillation. La valeur de -Rneg détermine directement la fiabilité de l'oscillation d'un quartz - en particulier en cas de faible tension d'alimentation, de basse température et dans les MCU à faible puissance dont les étages d'oscillateurs sont volontairement conçus de manière faible pour des raisons d'efficacité.

Ce billet montre la détermination métrologique de |-Rneg| et de la réserve de sécurité antivibratoire qui en découle dans le système cible réel. La méthode de résistance série décrite est la méthode de test établie dans la pratique et recommandée par de nombreux fabricants de MCU (ST, NXP, Infineon, Microchip, Renesas, Silicon Labs).

Base : condition d'oscillation

Un oscillateur de Pierce oscille en toute sécurité lorsque le gain actif de l'étage inverseur l'emporte sur les pertes dans le circuit à quartz. Formellement:

|-Rneg| &gt ; ESR_Quartz (condition de départ selon Barkhausen)

Une réserve de sécurité est exigée pour les conceptions robustes :

|-Rneg| ≥ 5 - ESR_Quartz (norme industrielle)

|-Rneg| ≥ 10 - Quartz_ESR (automobile / industrie avec large plage de température)

La réserve de sécurité antivibratoire s'exprime sous la forme d'un rapport :

Gain-Margin = |-Rneg| / ESR_Quartz

Principe de mesure : méthode de résistance en série

L'idée est simple : si l'on ajoute une résistance série supplémentaire Rtest dans le circuit à quartz, celle-ci agit comme une perte supplémentaire. L'oscillateur n'oscille de manière fiable que tant que la somme de Rtest et de ESR_Quartz est inférieure à |-Rneg|.

En augmentant progressivement Rtest, on trouve la valeur critique Rtest_krit pour laquelle l'oscillation démarre tout juste. On a alors:

|-Rneg| = Rtest_krit + ESR_Quartz

Cela signifie qu'avec une seule valeur mesurée avec précision (Rtest_krit) et l'ESR connu du quartz utilisé, on obtient directement |-Rneg| de l'étage oscillateur dans sa conception réelle - y compris toutes les influences de layout, de température et de VCC.

Montage de mesure

Modification du circuit

Une résistance de précision est insérée dans la ligne entre le quartz et l'un des deux nœuds de capacité (généralement du côté XOUT). La réalisation la plus courante:

• Prévoir un plot pour une résistance SMD 0402 ou 0603 en série avec C2 sur le circuit imprimé (généralement équipé de 0 Ω dans le layout de série).
• Sur les cartes déjà fabriquées : couper la piste et insérer une résistance enfichable via une petite boucle de fil.
• Autre solution : utiliser un potentiomètre de précision dont la courbe d'étalonnage est connue (attention : la capacité parasite du potentiomètre peut influencer le point de fonctionnement).

Equipement

• Jeu de résistances de précision 0402 / 0603 en gradations étroites : 0 / 10 / 22 / 47 / 68 / 100 / 150 / 220 / 330 / 470 / 680 / 1000 Ω, tolérance ±1 %
• Poste de soudure fine et pincette pour un échange rapide
• Oscilloscope avec sonde FET active sur XOUT (pour vérifier si l'oscillation a effectivement démarré)
• Alimentation contrôlable (pour variation de VCC), chambre de température en option

Traversée

1. Etat de sortie : Rtest = 0 Ω. Mettre le circuit sous tension, confirmer l'oscillation à l'oscilloscope. Noter l'amplitude et l'heure de départ.
2. Rtest augmenter progressivement (par ex. 47 Ω → 100 Ω → 150 Ω → 220 Ω → ...). Après chaque échange : couper complètement le courant du circuit, attendre 5 s, puis mettre en marche.
3. Vérifier si l'oscillateur oscille. Décision oui/non sur la base de l'amplitude sur XOUT après 100 ms (quartz MHz) ou 2 s (quartz 32,768 kHz).
4. Effectuer au moins 10 mises en marche par étage Rtest - l'oscillation doit démarrer de manière fiable à chaque essai individuel.
5. Noter la valeur Rtest la plus élevée pour laquelle l'oscillation démarre de manière fiable dans les 10 essais : Rtest_pass.
6. Noter la valeur Rtest la plus basse pour laquelle l'oscillation ne démarre plus de manière fiable : Rtest_fail.
7. Rtest_krit se situe dans cet intervalle. Pour des valeurs précises, mesurer des niveaux intermédiaires (par exemple entre 220 Ω et 330 Ω : 240, 270, 300 Ω).
8. |-Calculer Rneg| : |-Rneg| = Rtest_krit + ESR_Quartz.
   
   

Caractérisation par la température et VCC

|-Rneg| n'est pas constant, mais diminue lorsque le VCC baisse et - pour de nombreux MCU - lorsque la température est basse. La caractérisation complète se fait donc via une matrice de mesure:

.

La réserve de sécurité antivibratoire doit encore respecter la valeur cible de conception (Gain-Margin ≥ 5 ou ≥ 10) dans le pire des cas (généralement Vmin et -40 °C).

Exemple de calcul

Application : quartz 16 MHz, ESR_max (fiche technique) = 40 Ω. Spécification MCU : ESR_max autorisé = 60 Ω.

Résultats de mesure dans le circuit à +25 °C, Vnom:

.

Résultat : Rtest_krit ≈ 300 Ω (valeur la plus élevée avec 100 % de réussite).

|-Rneg| = 300 Ω + 40 Ω = 340 Ω

Gain-Margin = 340 / 40 = 8,5

Evaluation : réserve très confortable à +25 °C. Répétition à -40 °C / Vmin a donné Rtest_krit = 120 Ω → |-Rneg| = 160 Ω → Gain-Margin = 4,0, ce qui satisfait à l'exigence industrielle (≥ 3) et se situe juste en dessous de la stricte exigence automobile (≥ 5). Pour l'homologation automobile : utiliser un quartz avec un ESR plus faible ou une fréquence plus élevée, afin d'atteindre la marge de gain ≥ 5 même dans le pire des cas.

Deuxième méthode : mesure de l'impédance avec l'oscillateur désactivé (analytique)

Une alternative analytique consiste à déterminer l'impédance d'entrée de l'oscillateur à l'état actif, mais sans quartz. Cela n'a de sens que dans des environnements de laboratoire avec analyseur de réseau et n'est généralement utilisé dans la pratique que par les fabricants de circuits intégrés pour la caractérisation des fiches techniques.

Pour le développeur sur le terrain, la méthode de résistance en série reste la méthode de choix : elle mesure |-Rneg| avec précision dans des conditions de fonctionnement réelles, y compris tous les effets de layout et d'environnement.

Critères d'évaluation de la réserve de sécurité antivibratoire

.

Mesures à prendre en cas de réserve trop faible

• Choisir un quartz avec un ESR plus faible (technologie LRT) ou, le cas échéant, avec une fréquence plus élevée.
• Réduire la capacité de charge CL (si le CI le permet) - une CL plus petite donne généralement un |-Rneg| plus élevé, mais aussi une sensibilité au tirage plus élevée en ppm/pF. Dans ce cas, C1 et C2 doivent être choisis avec une tolérance de ±1%, en particulier pour les applications sans fil.
• Définir le niveau de gain de l'oscillateur dans le registre du MCU à un niveau plus élevé (si configurable)
• Améliorer l'agencement : lignes plus courtes, îlot GND dédié, pas de signaux sous le quartz
• Réduire C1 et C2 - diminue la charge capacitive et augmente |-Rneg| (limite : la spécification CL doit continuer à être respectée)

Pour aller plus loin

La déduction théorique de la résistance d'entrée négative, la condition de démarrage de Barkhausen et les marges de sécurité exigées sont décrites en détail dans le guide pratique "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" (sections F.1 à F.4 ainsi que 1 et 3). Ce post montre la mesure concrète en laboratoire - la méthode centrale qui vous permet de vérifier la déclaration du guide sur votre conception réelle.

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