Méthodes de mesure pratiques pour le post "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" - Sections F et F.3
Article encyclopédique : Adapter les quartz aux CI
.De quoi il s'agit
L'ESR (Equivalent Series Resistance) représente les pertes mécaniques et diélectriques du quartz. C'est l'un des paramètres les plus importants pour le comportement transitoire : Une ESR basse signifie des pertes plus faibles, une plus grande sécurité d'oscillation, un temps de démarrage plus rapide et une oscillation plus stable en fonction de la température.
Les fabricants de MCU indiquent généralement un ESR maximal dans leurs fiches techniques (typiquement 40 - 100 Ω pour les quartzs MHz, 30 - 90 kΩ pour les quartzs 32,768 kHz). Si l'ESR réel du quartz est supérieur à cette valeur, l'oscillateur ne démarre pas de manière fiable.
Ce billet montre comment mesurer correctement l'ESR dans le cadre d'un test sur pièce ou sur échantillon.
Méthode de mesure A : Analyseur de réseau (IEC 60444-5, méthode de référence)
L'analyse de réseau est la méthode de référence - précise, reproductible et la base de toutes les fiches techniques de quartz. Elle est utilisée exclusivement dans les laboratoires de mesure.
Equipement
Analyseur de réseau vectoriel (VNA), par ex. Keysight E5061B, Rohde & ; Schwarz ZNLE, ou pont de mesure à quartz spécialisé (Saunders 250C, Saunders 260)
π douille de réseau (jig de test à quartz) selon CEI 60444-5 avec capacité de charge définie
référence de précision et étalonnage OSL jusqu'à la plage de fréquence du quartz
Procédure à suivre
π Calibrer le réseau : Short-Open-Load-Through (SOLT) avec des standards de précision à la fréquence cible.
Insérer le quartz dans la douille de test. La douille définit une capacité de charge appropriée pour la mesure.
Régler le niveau de commande sur le niveau de mesure spécifié dans la fiche technique du quartz (typiquement 10 µW ou 100 µW).
Effectuer la mesure de transmission S21, chercher le minimum à la résonance série.
Calculer l'ESR à partir de la perte d'insertion au minimum de résonance.
ESR = 2 - R₀ - ( 10^(-|S21|/20) - 1 ) (avec R₀ = 50 Ω lorsque le réseau π est ouvert)
.Méthode de mesure B : Pont actif / méthode Saunders (méthode de fabrication et d'assurance qualité)
Les ponts de mesure à quartz commerciaux (Saunders, TTi) mesurent directement l'ESR, la fréquence de résonance sérielle fs, la fréquence de résonance de charge fL et les paramètres de mouvement L1, C1, C0. Ils sont utilisés dans les contrôles d'entrée de marchandises et d'assurance qualité.
Avantage : affichage direct de l'ESR en ohms, régulation automatique du niveau de drive, temps de mesure de quelques secondes par quartz.
Méthode C : Estimation in-circuit (méthode de terrain, uniquement à des fins de plausibilité)
Si un seul oscilloscope est disponible, l'ESR peut être délimité indirectement par la méthode de la résistance en série. Cette méthode est utilisée en premier lieu pour déterminer la sécurité d'oscillation (voir notre propre post sur -Rneg) et fournit comme résultat secondaire une estimation supérieure de l'ESR.
Principe
Une résistance série variable Rtest est insérée entre le quartz et un des nœuds de capacité (généralement côté XOUT). La valeur de la résistance à laquelle l'oscillation s'arrête tout juste correspond à la valeur limite:
Rtest_max + ESR ≈ |-Rneg|
Si |-Rneg| est connu à partir de la spécification de l'oscillateur, il permet d'estimer une limite supérieure de l'ESR. Pour une mesure absolue précise, cette méthode n'est pas suffisante.
Valeurs ESR typiques
| Type de quartz | Gamme de fréquence | ESR typique | ESR max (fiche technique) |
|---|---|---|---|
| 32,768 kHz quartz de montre standard (selon la version de boîtier) | 32,768 kHz | 35 - 65 kΩ | 70 - 90 kΩ | 32,768 kHz Quartz de montre LRT-Low-ESR | 32,768 kHz | 40 - 45 kΩ | 50 kΩ |
| MHz-quartz SMD 3,2 × 2,5 mm | 8 - 50 MHz | 40 - 80 Ω | 100 Ω |
| MHz-quartz SMD 2,0 × 1,6 mm | 16 - 54 MHz | 60 - 120 Ω | 150 Ω |
| Quartz LRT SMD03025/4 | 8 - 60 MHz | 20 - 50 Ω | 80 Ω |
| Quartz LRT SMD02016/4 | 16 - 60 MHz | 30 - 70 Ω | 100 Ω | Quartz MHz dans le package 5032 THT | 4 - 40 MHz | 20 - 40 Ω | 60 Ω |
Règle de notation
Règle générale pour une conception robuste Si le MCU indique ESR_max_IC maximum, l'ESR réel du quartz utilisé ne devrait pas dépasser 50 à 70 % de cette valeur. Exemple : la fiche technique du MCU indique ESR_max = 70 Ω → ESR du quartz souhaité 30 - 50 Ω. Il reste ainsi une réserve pour la dérive de température et de vieillissement, la dispersion des composants et un éventuel |-Rneg| bas. |
Influence de la température sur l'ESR
L'ESR est plus élevé à basse température. Pour les quartz de 32,768 kHz, l'ESR peut augmenter à -40 °C jusqu'à 2 à 3 fois la valeur de +25 °C. Pour les quartz MHz, le coefficient de température est typiquement de +10 - 20 % entre +25 °C et -40 °C.
Par conséquent, la mesure et l'évaluation de la fiche technique doivent toujours couvrir la plage de température spécifiée.
| Quartz | ESR à +25 °C | ESR à -40 °C (typ.) | Facteur |
|---|---|---|---|
| 32,768 kHz standard (selon la version) | 45 - 70 kΩ | 100 - 130 kΩ | ×2,2 - 2,9 |
| 32,768 kHz LRT-Low-ESR | 35 kΩ | 50 kΩ | ×2,0 - 2,6 |
| Norme MHz 25 MHz | 40 Ω | 45 - 48 Ω | ×1,1 - 1,2 | LRT SMD03025/4, 25 MHz | 25 Ω | 28 - 30 Ω | ×1,1 - 1,2 |
Erreurs fréquentes lors de la mesure de l'ESR
Mesure avec un mauvais niveau de drive : l'ESR dépend du drive. Toujours respecter le niveau de mesure spécifié dans la fiche technique.
Mauvais étalonnage du réseau π : entraîne des erreurs systématiques de 20 à 50 %.
Mélange de la résistance au mouvement R1 et de l'ESR : les fiches techniques indiquent parfois R1 (branche RLC de série), parfois ESR à la fréquence de résonance de charge. Les deux diffèrent légèrement (ESR ≈ R1 - (1 + C0/CL)²). Vérifier de quelle valeur il s'agit.
Mesures en circuit sans tenir compte des résistances parasites des pistes conductrices, qui entrent dans le chemin.
Technologie LRT : Low-ESR as Standard
Tous les quartz oscillants livrés par PETERMANN-TECHNIK utilisent la technologie exclusive LRT (Low ESR Resonator Technology). De par leur conception, ces quartz ont des valeurs ESR très faibles sur toute la plage de température spécifiée, ce qui assure au concepteur de circuits une réserve de résonance suffisante, même pour les étages d'oscillateurs faibles des MCU modernes à faible puissance.
Pour aller plus loin
L'importance de l'ESR pour le comportement transitoire et le lien avec la résistance d'entrée négative sont présentés en détail dans le guide pratique "Adapter les quartz de manière optimale aux CI" (sections F et F.3). Ce post fournit la pratique de mesure et des recommandations concrètes de valeurs limites.
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FAQs
Qu'est-ce que l'ESR d'un quartz et pourquoi est-il si important pour le comportement transitoire ?
L'ESR, ou Equivalent Series Resistance, décrit les pertes mécaniques et diélectriques d'un quartz. Il s'agit de l'un des paramètres les plus importants pour le comportement oscillatoire d'un oscillateur, car une faible ESR signifie des pertes plus faibles et donc une plus grande sécurité d'oscillation. De plus, un faible ESR améliore le temps de démarrage et assure une oscillation plus stable sur toute la plage de température. Si l'ESR réel dépasse la valeur maximale définie par le fabricant du MCU, il se peut que l'oscillateur ne démarre pas de manière fiable. C'est pourquoi l'ESR doit toujours être évalué en relation avec le circuit de l'oscillateur et les limites de la fiche technique.
Comment mesurer correctement l'ESR d'un quartz avec un analyseur de réseau ?
La méthode de référence pour la mesure de l'ESR est l'analyse de réseau selon la norme CEI 60444-5 avec un analyseur de réseau vectoriel ou un pont de mesure à quartz spécialisé. Pour cela, on utilise un réseau π calibré avec une capacité de charge définie, dans lequel le quartz est inséré. Avant la mesure, un étalonnage SOLT précis à la fréquence cible est nécessaire afin d'éviter les erreurs systématiques. Ensuite, le niveau d'entraînement spécifié dans la fiche technique est réglé, typiquement 10 µW ou 100 µW, et la mesure de transmission S21 est effectuée. La perte d'insertion au minimum de résonance permet de calculer l'ESR de manière reproductible, ce qui fait de cette méthode la base des fiches techniques professionnelles des quartz.
Quelles sont les limites typiques de l'ESR pour les quartzs MHz et les quartzs 32,768 kHz ?
Les fabricants de MCU indiquent généralement dans leurs fiches techniques une ESR maximale admissible pour le quartz utilisé. Pour les quartz MHz, les valeurs limites typiques se situent généralement dans une fourchette de 40 à 100 ohms. Pour les quartz de 32,768 kHz, des valeurs nettement plus élevées sont courantes, typiquement de 30 à 90 kohms. Il est toujours décisif que l'ESR réel du quartz reste en dessous de la valeur maximale autorisée de l'étage de l'oscillateur. Ce n'est qu'à cette condition qu'un comportement de démarrage fiable est garanti, même dans des conditions de fonctionnement réelles.
Peut-on vérifier l'ESR d'un quartz sans analyseur de réseau ?
Si aucun analyseur de réseau n'est disponible, l'ESR peut être délimité indirectement par la méthode de la résistance série. Pour ce faire, une résistance série variable est insérée entre le quartz et un nœud de capacité, généralement du côté XOUT. La valeur de la résistance à laquelle l'oscillation s'arrête tout juste permet, avec la résistance d'entrée négative connue, une estimation supérieure de l'ESR. Cette méthode sert en premier lieu à évaluer la sécurité d'oscillation et non à effectuer une mesure absolue précise. Pour obtenir des valeurs ESR exactes et reproductibles, le test en laboratoire avec analyse de réseau ou pont de mesure en quartz reste donc le meilleur choix.
Quelles sont les sources d'erreur qui faussent le plus souvent la mesure de l'ESR des quartz ?
Une source d'erreur fréquente est un niveau d'entraînement incorrect, car l'ESR dépend de l'entraînement et doit toujours être déterminé au niveau de mesure spécifié dans la fiche technique. L'absence d'étalonnage du réseau π est tout aussi critique, car elle peut entraîner des erreurs de mesure systématiques de 20 à 50 pour cent. De plus, dans la pratique, la résistance au mouvement R1 et l'ESR sont souvent confondus, bien que les deux valeurs ne soient pas identiques et diffèrent selon le C0 et la capacité de charge. De même, les mesures in-circuit sans tenir compte des résistances parasites des pistes conductrices conduisent facilement à des résultats faussés. En outre, la plage de température spécifiée doit être prise en compte, car l'ESR peut augmenter considérablement à basse température.
Pourquoi PETERMANN-TECHNIK contrôle l'ESR du quartz ?
PETERMANN-TECHNIK est spécialisé dans les quartz, les oscillateurs et les composants déterminant la fréquence et soutient ses clients de manière pratique dans l'évaluation de l'ESR. Les quartzs oscillants livrés utilisent la technologie exclusive LRT, qui permet d'obtenir des valeurs ESR très basses sur toute la plage de température spécifiée. Cela crée une réserve d'oscillation supplémentaire, notamment pour les MCU modernes à faible puissance avec des étages d'oscillateurs plus faibles. En outre, les experts en fréquence accompagnent les clients lors des mesures dans le circuit réel, lors du choix des composants et jusqu'à la validation de la série. Ainsi, les utilisateurs industriels ne reçoivent pas seulement un quartz, mais une solution techniquement fondée pour un comportement de démarrage fiable et un fonctionnement stable.
