Métodos prácticos de medición para el post "Optimización de cristales de cuarzo para CI" - Secciones F y F.3
Al artículo de la enciclopedia : Adaptación óptima de cristales a circuitos integrados
De qué se trata
La ESR (resistencia serie equivalente) representa las pérdidas mecánicas y dieléctricas del cristal de cuarzo. Es uno de los parámetros más importantes para el comportamiento transitorio: Una ESR baja significa menores pérdidas, mayor fiabilidad de respuesta transitoria, un tiempo de arranque más rápido y una oscilación más estable a lo largo de la temperatura.</p
<p class="text-justify">Los fabricantes de UMC suelen especificar una ESR máxima en sus hojas de datos (normalmente 40 - 100 Ω para cristales de MHz, 30 - 90 kΩ para cristales de 32,768 kHz). Si la ESR real del cristal es mayor, el oscilador no arrancará de forma fiable.
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Este post muestra cómo medir correctamente la ESR en pruebas de una sola pieza y de muestras.
Método de medición A: Analizador de redes (IEC 60444-5, método de referencia)
El análisis de red es el método de referencia: preciso, reproducible y la base de todas las fichas técnicas de cuarzo. Se utiliza exclusivamente en laboratorios de medición.
<p<h3>Equipos
Analizador vectorial de redes (VNA), p. ej. Keysight E5061B, Rohde & Schwarz ZNLE, o puente de prueba de cuarzo especializado (Saunders 250C, Saunders 260)
π zócalo de red (plantilla de prueba de cuarzo) según IEC 60444-5 con capacidad de carga definida
Referencia de precisión y calibración OSL hasta el rango de frecuencia de cuarzo
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Procedimiento
Calibrar la red π: Short-Open-Load-Through (SOLT) con patrones de precisión a la frecuencia objetivo.
Inserte el cristal en la toma de prueba. El zócalo define una capacitancia de carga adecuada para la medición.
Ajuste el nivel de accionamiento al nivel de medición especificado en la hoja de datos del cuarzo (normalmente 10 µW o 100 µW).
Realice la medición de transmisión S21, busque el mínimo en la resonancia en serie.
Calcule la ESR a partir de la pérdida de inserción en el mínimo de resonancia.
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ESR = 2 - R₀ - ( 10^(-|S21|/20) - 1 ) (con R₀ = 50 Ω para una red π abierta)
Método de medición B: puente activo / método Saunders (método de producción y control de calidad)
Los puentes de medición de cuarzo comerciales (Saunders, TTi) miden directamente la ESR, la frecuencia de resonancia en serie fs, la frecuencia de resonancia de carga fL y los parámetros de movimiento L1, C1, C0. Se utilizan en la recepción de mercancías y en pruebas de control de calidad.</p
<p class="text-justify">Ventaja: visualización directa de la ESR en ohmios, control automático del nivel de accionamiento, tiempo de medición de unos pocos segundos por cristal.
Método C: medición de la ESR en ohmios.
Método C: Estimación en circuito (método de campo, sólo para comprobaciones de plausibilidad)
Si sólo se dispone de un osciloscopio, la ESR se puede acotar indirectamente mediante el método de la resistencia en serie. Este método se utiliza principalmente para determinar la seguridad de respuesta transitoria (ver post separado sobre -Rneg) y proporciona una estimación superior de la ESR como resultado secundario.
<p<h3>Principio
Entre el cristal y uno de los nodos de capacitancia (normalmente el lado XOUT) se coloca una resistencia variable en serie Rtest. El valor de resistencia en el que la oscilación justo se detiene corresponde al valor límite:</p
<p class="text-centre">Rtest_max + ESR ≈ |-Rneg|
Si se conoce |-Rneg| a partir de la especificación del oscilador, se puede estimar un límite superior de ESR a partir de él. Este método no es suficiente para una medición absoluta precisa.
<p<h2>Valores ESR típicos
| Tipo de cuarzo | Gama de frecuencias | ESR típica | ESR máx. (hoja de datos) |
|---|---|---|---|
| 32.768 kHz reloj cuarzo estándar (según versión de caja) | 32,768 kHz | 35 - 65 kΩ | 70 - 90 kΩ | 32.768 kHz Reloj Cuarzo LRT-Bajo-ESR | 32.768 kHz | 32.768 kHz | 32.768 kHz.25cm;">40 - 45 kΩ | 50 kΩ | MHz cuarzo SMD 3.2 × 2.5 mm | 8 - 50 MHz | 40 - 80 Ω | 100 Ω | MHz cuarzo SMD 2.0 × 1.6 mm | 16 - 54 MHz | 60 - 120 Ω | 150 Ω | LRT cuarzo SMD03025/4 | 8 - 60 MHz | 20 - 50 Ω | 80 Ω |
| LRT-Quartz SMD02016/4 | 16 - 60 MHz | 30 - 70 Ω | 100 Ω | MHz de cuarzo en envase 5032 THT | 4 - 40 MHz | 20 - 40 Ω | 60 Ω |
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Regla de clasificación
Regla general para un diseño robusto Si la MCU especifica una ESR_max_IC máxima, la ESR real del cristal utilizado no debe ser superior al 50 - 70 % de este valor. Ejemplo: la hoja de datos del MCU dice ESR_max = 70 Ω → ESR de cuarzo deseada 30 - 50 Ω. Esto deja una reserva para la deriva por temperatura y envejecimiento, dispersión de componentes y una |-Rneg| posiblemente baja. |
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Influencia de la temperatura en la ESR
La ESR es mayor a bajas temperaturas. Para cristales de 32,768 kHz, la ESR a -40 °C puede aumentar hasta 2 - 3 veces el valor de +25 °C. En el caso de los cristales de MHz, el coeficiente de temperatura suele ser de +10 - 20 % entre +25 °C y -40 °C.
<p<p class="text-justify">Por lo tanto, se aplica lo siguiente: la medición y la evaluación de la hoja de datos deben cubrir siempre el rango de temperatura especificado.</p
| Cuarzo | ESR a +25 °C | ESR a -40 °C (típ.) | Factor |
|---|---|---|---|
| 32.768 kHz por defecto (según versión) | 45 - 70 kΩ | 100 - 130 kΩ | ×2.2 - 2.9 | 32.768 kHz LRT-Low-ESR | 35 kΩ | 50 kΩ | ×2,0 - 2,6 |
| MHz estándar 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 |
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Errores frecuentes en la medición de la ESR
Medición con nivel de accionamiento incorrecto: la ESR depende del accionamiento. Respete siempre el nivel de medición especificado en la hoja de datos.
Falta de calibración de la red π: conduce a errores sistemáticos del 20 - 50 %.
Mezcla de R1 y ESR: Las hojas de datos a veces especifican R1 (rama RLC en serie), a veces ESR a la frecuencia de resonancia de la carga. Ambos difieren ligeramente (ESR ≈ R1 - (1 + C0/CL)²). Compruebe a qué valor se refiere.
Mediciones en circuito sin tener en cuenta las resistencias parásitas de pista que se incluyen en el recorrido.
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Tecnología LRT: baja ESR de serie
Todos los cristales oscilantes suministrados por PETERMANN-TECHNIK utilizan la exclusiva tecnología LRT (Low ESR Resonator Technology). Debido a su diseño, estos cristales tienen valores de ESR muy bajos en todo el rango de temperatura especificado, lo que garantiza que el diseñador del circuito tenga suficiente reserva de oscilación incluso con etapas osciladoras débiles en las MCU modernas de baja potencia.
Todos los cristales oscilantes suministrados por PETERMANN-TECHNIK utilizan la exclusiva tecnología LRT (Low ESR Resonator Technology).
Más información
La importancia de la ESR para la respuesta transitoria y la relación con la resistencia de entrada negativa se describen detalladamente en la guía práctica "Optimización del ajuste de cristales a circuitos integrados" (secciones F y F.3). Este post proporciona prácticas de medición y recomendaciones específicas de valores límite.</p
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