Métodos prácticos de medición para el post "Optimización de cristales de cuarzo para circuitos integrados" - secciones B y 5
Al artículo de la enciclopedia : Adaptación óptima de cristales a circuitos integrados
De qué se trata
Las capacitancias parásitas (Cpar) entre XIN/XOUT y tierra son inevitables. Están formadas por la capacitancia de las patillas del CI, la capacitancia de la traza, la capacitancia del pad y la capacitancia del encapsulado. Los valores típicos se sitúan entre 1 pF y 3 pF por lado, en disposiciones desfavorables o con capacitancias de patillas de CI de hasta 7 pF incluso significativamente superiores.
<p<p class="text-justify">Estas capacitancias aumentan la capacitancia de carga efectiva, reducen la cantidad de -Rneg y desplazan el punto de funcionamiento del oscilador. Los diseños con un CL especificado bajo (cuarzo MHz ≤ 10 pF, cuarzo 32,768 kHz ≤ 6 pF) son particularmente críticos - las capacitancias parásitas tienen un fuerte efecto porcentual aquí.
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Este post describe dos métodos prácticos para la determinación cuantitativa de Cpar.
Por qué se debe medir el Cpar
A partir de las reglas generales de las hojas de datos, a menudo se calcula Cpar = 2 pF. Sin embargo, la dispersión real entre diferentes disposiciones es considerable:
| Tipo de disposición | Cpar típico | Efecto sobre CL_eff |
|---|---|---|
| PCB de 4 capas, conductores cortos, cuarzo directamente en el CI | 1.0 - 1.5 pF | mínimo | PCB de 4 capas, diseño estándar con cables de 5 mm | 2,0 - 2,5 pF | normal, a tener en cuenta en factura |
| PCB de 2 capas, cables largos (> 10 mm) | 3.0 - 4.5 pF | significativo, error de frecuencia CL > 10 ppm posible |
| IC con capacitancia de pin aumentada (CIN hasta 7 pF) | 7 - 9 pF | dominan el balance de capacitancia | Zona GND directamente debajo de las pastillas de cuarzo | 4 - 7 pF | Error de disposición, debe corregirse |
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Método A: Método de variación de frecuencia (recomendado)
Dos mediciones de frecuencia con diferentes configuraciones C1/C2 proporcionan Cpar indirectamente a través de la variación de frecuencia. Este método es el más fiable porque mide Cpar en condiciones reales de funcionamiento (incluyendo la capacitancia de los pines del CI a tensión nominal y temperatura de funcionamiento).
<p<h3>Equipos
- Contador de frecuencia ≥ 0,1 ppm de resolución con GPS o referencia OCXO
- Dos juegos de condensadores C0G/NP0 precisos (±1 %), por ejemplo. C_A = 10 pF y C_B = 22 pF
- Sonda FET con ≤ 1 pF de capacitancia de entrada (en XOUT)
- Sensibilidad de tracción conocida S [ppm/pF] del cristal utilizado (de la hoja de datos, medición o protocolos de medición adjuntos con nuestras entregas de muestras)
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Procedimiento de medición
- Colocación A: C1 = C2 = C_A. Después de 60 s de respuesta transitoria, mida la frecuencia f_A, Δf_A = (f_A - f_nenn)/f_nenn en ppm.
- Ajuste B: C1 = C2 = C_B. Mida la frecuencia f_B, calcule Δf_B.
- Ambos ajustes se refieren a la misma sensibilidad de tiro. Cpar se deduce del sistema de ecuaciones.
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Cálculo
Con CL_eff_A = C_A/2 + Cpar y CL_eff_B = C_B/2 + Cpar y Δf = S - (CL_eff - CL_spec), resulta lo siguiente:
Cpar = CL_spec + (Δf_A / S) - C_A / 2
Para la comprobación, Cpar puede calcularse análogamente a partir del conjunto B - ambos resultados deben coincidir dentro de ±0,3 pF. Si se desvían más, esto indica una sensibilidad de tracción incorrecta, CL_spec reconocido incorrectamente o una fuerte influencia del nivel de accionamiento.</p
<h3>Ejemplo de cálculo
Cristal: 26 MHz, CL_spec = 8 pF, S = -20 ppm/pF.
| Población | C1 = C2 | Δf medido | CL_eff de Δf |
|---|---|---|---|
| A | 10 pF | +1.60 ppm | 7.92 pF |
| B | 22 pF | -3.20 ppm | 8.16 pF |
Cpar_A = 7,92 pF - 10/2 = 2,92 pF
Cpar_B = 8.16 pF - 22/2 = -2.84 pF
Los valores no coinciden (signo diferente). Motivo: Para la configuración B, CL_eff es mayor que CL_spec, por tanto desviación negativa. Para una interpretación correcta, utilice la formulación con el signo correcto:
CL_eff_A = 5 + Cpar = 7,92 → Cpar = 2,92 pF
CL_eff_B = 11 + Cpar = 8.16 ... ?
La segunda ecuación muestra una incoherencia: 11 + Cpar no puede ser 8,16. Esto indica que a C_B = 22 pF el cristal funciona por encima de su CL_spec y la aproximación lineal pierde su validez. En este caso, seleccione dos conjuntos con una dispersión menor (por ejemplo, C_A = 12 pF, C_B = 18 pF) o lleve a cabo un cálculo exacto del diagrama del circuito equivalente del cristal.
<p<p class="text-justify">Nota: El método de la frecuencia funciona mejor si ambas colocaciones dan como resultado valores de CL_eff en torno a CL_spec. Cpar ≈ 2,9 pF del montaje A es el resultado significativo en este caso.
Método B.
Método B: medición de LCR cuando está apagado
Método complementario que no requiere oscilación. Es adecuado para la caracterización de prototipos y para comparaciones entre variantes de disposición.</p
<h3>Configuración de la medición
- Medidor LCR de precisión con señal de 1 MHz (por ejemplo, Keysight E4980AL, HP 4284A)
- Señal de medida ≤ 100 mV para evitar estresar los diodos de entrada del CI
- Circuito completamente desenergizado (VCC = 0 V, sin batería)
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Implementación
- Sacar el cristal de cuarzo del zócalo (para SMD: desoldar o no montar).
- Sin C1 y C2 (no montados): Mida la capacitancia XIN → GND y XOUT → GND. Esto da una estimación de la capacitancia pura del pin y la pista a tierra.
- Con C1 y C2 montados: Mida la capacitancia XIN → GND y XOUT → GND de nuevo. La diferencia con la medición sin condensadores debe corresponder a los valores de C1/C2 más una pequeña capacitancia de dispersión (< 0,5 pF).
- Cpar ≈ valor medido sin C1/C2.
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Límite del método LCR La capacitancia de las patillas del CI depende de la tensión y suele variar entre 0,5 y 1,5 pF entre los estados de apagado y encendido. Por lo tanto, la medición LCR sólo proporciona un límite inferior del Cpar operativo. Para obtener una precisión absoluta, utilice el método de frecuencia (método A). |
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Influencias de la disposición en Cpar
| Medida de la disposición | Efecto sobre Cpar | Recomendación |
|---|---|---|
| acortar la traza 5 mm | -0.3 a -0.5 pF | siempre | Eliminar la zona GND bajo las pastillas de cuarzo | -1.0 a -2.5 pF | Siempre, ya sea para cristales de cuarzo MHz o kHz = sin masa directamente bajo el cristal de cuarzo |
| Coloque los pads de cuarzo #2 y #4 en GND (cerámica de 4 pads) | +0 pF, pero mejora EMC | recomendado, pero especifique una vez antes del ajuste fino de frecuencia | Vía en lugar de traza a GND | minimal | sólo si el enrutamiento lo obliga |
| Colocar el cristal desde la parte inferior de la PCB | +0.5 - 1.0 pF | evitar, si es posible |
| pista de señalización adicional a < 1 mm de distancia | +0,3 a +1,0 pF | evitar a toda costa |
Recomendación para diseños de bajo CL
En aplicaciones alimentadas por batería, los fabricantes de circuitos integrados suelen especificar cristales con capacitancias de carga muy bajas (cuarzo MHz típicamente 8 pF, cuarzo 32,768 kHz hasta 3 - 4 pF). En tales diseños:
- Utilice condensadores C0G/NP0 tolerados al 1 % para C1 y C2
- Verifique Cpar midiendo la frecuencia una vez por diseño
- Máximo 3 mm de traza entre la patilla del CI y la almohadilla del cristal
- Sin líneas de señal debajo o directamente al lado del cristal
- Isla GND dedicada para los condensadores del circuito
TS (Sensibilidad de Sintonía) en ppm/pF: Los fabricantes de CI recomiendan cada vez más el uso de cristales oscilantes con bajas capacitancias de carga (MHz = <6pF, 32.768 kHz = 4pF). Una menor carga XIN/XOUT reduce el consumo de energía del CI y, por tanto, prolonga la vida útil de la pila y aumenta la respuesta transitoria. En el lado de la frecuencia, sin embargo, esto plantea un problema importante para el ingeniero de desarrollo. Esto se debe a que cuanto menor sea la capacitancia de carga del cuarzo, mayor será la sensibilidad al consumo en ppm/pF (legislación física). Esto es irrelevante para un circuito controlador normal, pero este valor es esencial para una aplicación de radio. Por lo tanto, recomendamos utilizar una tolerancia máxima del 1% para C1 y C2 en aplicaciones de radio para que se genere el menor desplazamiento de frecuencia capacitivo (desplazamiento de la frecuencia de funcionamiento) posible desde el lateral. Además, no debe despreciarse la tolerancia capacitiva en XIN/XOUT, que puede ser de hasta el 25%. |
Límite del método LCR
La capacitancia de las patillas del circuito integrado depende de la tensión y suele variar entre 0,5 y 1,5 pF entre el estado de apagado y encendido. Por lo tanto, la medición LCR sólo proporciona un límite inferior del Cpar de funcionamiento.</p
<h2>Para una precisión absoluta, utilice el método de frecuencia (método A)</h2
<h2>Más información
El efecto de las capacitancias parásitas sobre el punto de funcionamiento, la respuesta transitoria y la precisión en frecuencia se describe en la guía práctica "Sintonización óptima de cristales con circuitos integrados" (secciones B y 5). Este post muestra cómo determinar cuantitativamente Cpar en su placa y reducirlo a través de medidas de diseño específicas.
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