Vérifier l'ESR (Equivalent Series Resistance) du quartz

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 &amp ; 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

1. π Calibrer le réseau : Short-Open-Load-Through (SOLT) avec des standards de précision à la fréquence cible.

2. Insérer le quartz dans la douille de test. La douille définit une capacité de charge appropriée pour la mesure.

3. Régler le niveau de commande sur le niveau de mesure spécifié dans la fiche technique du quartz (typiquement 10 µW ou 100 µW).

4. Effectuer la mesure de transmission S21, chercher le minimum à la résonance série.

5. 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

Règle de notation

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.

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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