Métodos prácticos de medición para el puesto "Optimización de los cristales de cuarzo para CI" - Sección B
Al artículo de la enciclopedia : Emparejar cristales de forma óptima con circuitos integrados
De qué se trata
La capacitancia de carga CL define el punto de funcionamiento de un cristal de cuarzo y, por tanto, su frecuencia real en el circuito, también conocida como frecuencia de funcionamiento. Cada cristal se ajusta a una CL específica (normalmente 6 pF, 8 pF, 12 pF, 16 pF, 18 pF o 20 pF para cristales de cuarzo de MHz / 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF y 12,5pF para cristales de reloj de 32,768kHz). Si la especificación CL del cristal y la capacitancia de carga efectiva del circuito no coinciden, se produce un desplazamiento sistemático de la frecuencia - a menudo en el rango de unas pocas ppm a varias decenas de ppm.
<p<p class="text-justify">Este post práctico muestra cómo se puede comprobar y validar la capacitancia de carga efectiva en un circuito real.</p
<h2>Contexto físico
La capacitancia efectiva de carga que "ve" el cristal en el circuito resulta de la conexión en serie de las dos capacitancias externas C1 y C2 más las capacitancias parásitas (stray).
<p<p class="text-centre">CL_eff = (C1 - C2) / (C1 + C2) + Cstray
Cstray se compone de la capacitancia de las patillas del CI, la capacitancia de la pista y la capacitancia del pad. Los valores guía típicos en una disposición real son de 2 pF - en diseños compactos y optimizados para la disposición a veces sólo 1 pF, en disposiciones desfavorables o con capacitancias de patillas de CI de hasta 7 pF correspondientemente más altas.
Cstray se compone de la capacitancia de la pista y la capacitancia del pad.
Por qué no basta con un mero cálculo
El cálculo a partir de la hoja de datos proporciona un buen valor de partida, pero no es una garantía. Las desviaciones surgen debido a:
- Dispersión en serie de la capacitancia de las patillas del CI (típ. ±30 %)
- Variantes de disposición (longitudes de traza, número de capas, número de vías, proximidad a planos de tierra)
- Tolerancias de fabricación de los condensadores del circuito (C0G/NP0 típ. ±5%, estándar ±10%, ±1% para aplicaciones precisas como las requeridas en aplicaciones de radio)
- Dependencia de la temperatura y el voltaje de la capacitancia de las patillas
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Por lo tanto, la verificación en el circuito real es obligatoria si la precisión de la frecuencia es relevante (inalámbrico, USB, Ethernet, temporizador)
.
Método de medición A: Método de frecuencia (recomendado en serie)</h2
<h3>Principio de medición
Se mide la frecuencia real del circuito en marcha y se compara con la frecuencia nominal especificada. La capacidad de carga efectiva puede calcularse a partir de la desviación de frecuencia.</p
<h3>Equipos necesarios
Contador de frecuencia con resolución ≥ 0,1 ppm y referencia GPS u OCXO (p. ej. Keysight 53230A, Pendulum CNT-90)
Sonda activa, de baja capacidad (< 1 pF, p. ej. sonda FET), p. ej. sonda FET. p.ej. sonda FET) para no falsear la medición
Cámara de temperatura recomendada para medición de referencia a +25 °C ±1 °C
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Ejecución
Poner en marcha el circuito a +25 °C y tensión nominal. Deje que se caliente durante al menos 60 s.
Toque XOUT (salida del oscilador) con una sonda de baja capacitancia. No toque XIN - aquí es donde la sonda perturba más el punto de funcionamiento.
Promedie la frecuencia sobre ≥ 10 s de tiempo de puerta y anote: fmess.
Calcule la desviación: Δf/f = (fmess - fnenn) / fnenn - 10⁶ [ppm]
Calcule la CL efectiva de vuelta de Δf/f (véase la fórmula a continuación).
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Recalcular CL a partir de Δf/f
Fórmula de aproximación (válida en el rango habitual en torno a CL_spec):
Δf / f ≈ - C1_mocional / (2 - (C0 + CL_eff)²) - (CL_eff - CL_spec)
Con los parámetros típicos del cuarzo (C1_motional ≈ 3 fF, C0 ≈ 1 pF), la siguiente es una regla práctica:
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ΔCL [pF] ≈ Δf/f [ppm] - (CL_spec + C0)² / (C1_mocional - 10⁶ / 2)
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Más sencillo y preciso: lea la sensibilidad de tracción de la hoja de datos del cuarzo (normalmente de -15 a -25 ppm/pF) y utilícela para realizar la conversión.
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ΔCL = Δf/f / S (S = sensibilidad a la tracción en ppm/pF)
Método de medición B: método de variación (para determinar Cstray)
Este método es la variante más precisa si se desea determinar la capacitancia parásita del circuito:
Configure C1 y C2 a un valor de prueba simétrico (por ejemplo, 12 pF cada uno, C0G ±2 %).
Mida la frecuencia f1.
Configure C1 y C2 a un segundo valor (por ejemplo, 22 pF cada uno). por ejemplo, 22 pF cada uno), mida la frecuencia f2.
Cpar y capacitancia de carga efectiva pueden resolverse analíticamente a partir de dos puntos de medición.
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Muy adecuado para la depuración inicial de muestras porque también caracteriza la disposición y los valores de Cpar determinados pueden reutilizarse para disposiciones similares.
Valores típicos
Valores típicos de Cpar.
Valores típicos y límites de aceptación
| Criterio | Área verde | Evaluación / Medida |
|---|---|---|
| |Δf/f| a +25 °C | < 5 ppm | En orden |
| |Δf/f| a +25 °C | 5 - 15 ppm | Ajuste C1/C2 |
| |Δf/f| a +25 °C | > 15 ppm | comprobar variante CL, determinar Cpar | Diferencia XIN / XOUT | < 2 ppm | Disposición simétrica |
| Cpar (del método de variación) | 1 - 3 pF | Gama normal típica |
| Cpar | > 5 pF | Comprobar disposición (cables cortos, sin zona GND bajo el cuarzo) |
Ejemplo de cálculo
Cuarzo: 26.000 MHz, CL_spec = 8 pF, sensibilidad de tracción S = -18 ppm/pF.
Medida en el circuito: fmess = 26.000 234 MHz → Δf/f = +9 ppm.
ΔCL = +9 ppm / (-18 ppm/pF) = -0.5 pF
Interpretación: La capacitancia de carga efectiva está 0,5 pF por debajo del objetivo. Solución: aumente ligeramente C1 y C2. Con C1 = C2, +1 pF por condensador provoca ≈ +0,5 pF en CL_eff - es decir, aumentar +1 pF cada uno.
Nota práctica Para aplicaciones con una alta precisión a largo plazo (por ej. cableado de banda ISM), es aconsejable utilizar el. p. ej. inalámbrica de banda ISM, LoRaWAN, base de tiempos precisa), recomendamos condensadores C0G/NP0 con tolerancia del 1% para C1 y C2. Esto limita las influencias externas dominantes sobre CL_eff a < 0,1 pF de dispersión. No mida la frecuencia real directamente en el pin XIN. La entrada capacitiva de la sonda falsea inmediatamente el resultado en varias ppm. El mejor punto de medición es XOUT o una patilla del circuito integrado situada aguas abajo. Lo mejor es consultar la hoja de datos del circuito integrado para ver si la frecuencia se puede emitir a través de una patilla independiente. En este caso, la frecuencia de funcionamiento del cristal se puede medir sin influir en el equipo de prueba/sondas. |
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Más información
La fórmula utilizada aquí y las relaciones entre CL, C1, C2 y las capacitancias parásitas se describen detalladamente en la guía práctica "Adaptación óptima de cristales de cuarzo a circuitos integrados" (secciones B y C). Este post complementa la guía con prácticas de medición específicas.</p
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