¿Por qué se considera que los condensadores de cristal están en serie?

Question

Estoy tratando de elegir un cristal y condensadores para la sincronización de un MCU, y, por lo que he entendido, mi cristal necesita una capacitancia de carga de 30pF (se especifica en el ficha técnica ) para que funcione correctamente. La forma en que yo habría hecho esto sería:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Sin embargo, todo el mundo me dice que debería hacerlo:

simular este circuito

Porque los condensadores están, de alguna manera, en serie. Esto tiene cero sentido para mí: Estoy usando un condensador más, y el condensador de la derecha está al lado de la salida de baja impedancia del inversor, así que no lo veo en serie. Además, mi diseño utiliza un condensador menos. ¿Qué me falta?

Answer 1

Hay dos aspectos de la capacitancia de carga. Lo que ve el cristal es la capacitancia entre los dos extremos del cristal. Típicamente el circuito oscilador necesitará alguna capacitancia entre un extremo del cristal y tierra, pero eso es de menor importancia para el cristal.

Si los dos extremos del cristal se movieran hacia arriba y hacia abajo de forma perfectamente antifásica, y dos condensadores de carga tuvieran un tamaño acorde con la relación inversa de las amplitudes, entonces la corriente que fluye de un condensador a tierra coincidiría exactamente con la corriente que fluye de tierra al otro condensador, de tal forma que si se desconectara tierra pero se dejaran los condensadores conectados entre sí, el funcionamiento del circuito no se vería afectado. En esa situación sería obvio por qué el valor en serie de la capacitancia importaría, porque la única capacitancia involucrada serían dos capacitores, en serie.

En la práctica, los dos extremos del cristal no oscilan a 180 grados, y los condensadores no están dimensionados para igualar la relación de amplitud, por lo que hay un poco de corriente de tierra que fluye en los tapones, pero por lo general es sólo una pequeña parte de la corriente total de los tapones, por lo que el comportamiento dominante sigue siendo el de los dos tapones en serie.

Answer 2

La rotación de este esquema muestra por qué se puede considerar que la capacitancia a través del cristal se interpreta como en serie. La carga se mide a través del XTAL y no con respecto a tierra.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 3

No me parece útil considerar que los condensadores de cristal están conectados en serie. Ambos hacen trabajos similares pero actúan en diferentes partes del circuito. El primer condensador (y el más importante) está en la alimentación de retorno a la entrada del inversor: -

La parte izquierda de la imagen anterior muestra un circuito equivalente de un cristal de 10 MHz junto con un condensador de 20pF (C3) a masa. V1 es la fuente de alimentación y a la derecha he representado la respuesta en frecuencia y fase. Nótese también la presencia de R2 (que explicaré más adelante).

A poco más de 10 MHz, el ángulo de fase del circuito es de casi 180 grados, lo que es importante porque el cristal se acciona mediante un inversor. El inversor produce 180 grados de cambio de fase (inversión) y el cristal y sus condensadores externos producen otros 180 grados, por lo tanto 360 grados y retroalimentación positiva.

Además, para mantener la oscilación, la ganancia debe ser superior a 1. Observa la imagen anterior, a muy poco más de 10 MHz el circuito produce ganancia, es decir, H(s) es mayor que 1 y la oscilación se producirá si la red hubiera producido un desplazamiento de fase de 180 grados.

¿Por qué añadir el condensador adicional en el lado de accionamiento del cristal?

Esto no sólo evita que el cristal se accione demasiado, sino que produce unos pocos grados extra de desfase y permite que el circuito oscile. Fíjate en la resistencia de 100 ohmios etiquetada R2 - limita la corriente en el cristal pero, el condensador extra a masa en este punto añadirá el cambio de fase necesario.

Muchos circuitos de osciladores de cristal no muestran esta resistencia en serie porque aprovechan la impedancia de salida distinta de cero del inversor. Si usted tiene un inversor relativamente potente (capaz de conducir muchas decenas de mA), entonces se necesita una resistencia y pensar en ello - que va a pegar 20pF en la salida bruta de un inversor sin contemplar una resistencia en serie?

Pregunta relacionada: Diseño de un oscilador

Answer 4

Es cierto que la norma del pantano Oscilador Pierce diseño que puede encontrar en appnotes/fichas antiguas utiliza condensadores iguales:

Pero de hecho no es lo único que podría funcionar , aunque veo que es la tapa izquierda y no la derecha la que queda fuera:

No dices a qué frecuencia te diriges... ni qué amplificador/chip utilizas. Todo lo cual materia si desea diseñar el suyo propio en lugar de seguir las recomendaciones de algún libro de cocina.

Incluso mucho más sencillo los enfoques de diseño deben tener en cuenta, como mínimo, las capacitancias de entrada y salida del amplificador utilizado:

Si pones un tapón grande sólo en un lado del xtal, pero en el otro lado sólo tienes un tapón mucho más pequeño de la capacitancia de entrada (o salida) de tu amplificador, ¿cuál será la capacitancia total (en serie)? Probablemente será bastante impredecible y dominada por la capacitancia pequeña.

Aislar el xtal de ver pequeñas capacitancias es una forma de mejorar su estabilidad (aunque este último esquema se usa poco, que yo sepa).

Y volviendo a la 1ª nota de aplicación:

El diseño de osciladores es, en el mejor de los casos, un arte imperfecto. Las combinaciones de técnicas de diseño teóricas y experimentales. experimentales.

Así que prueba el tuyo [primero en una simulación, preferiblemente] y luego en el tablero real y comprueba si merece la pena intentar salvar ese tapón.

Y ya que las características del amplificador/conductor importan, tenga en cuenta también este consejo de un Nota de aplicación ST :

Muchos fabricantes de cristales pueden comprobar la compatibilidad del emparejamiento microcontrolador/cristal previa solicitud. Si el emparejamiento se considera válido, pueden proporcionar un informe que incluya los valores recomendados de CL1 y CL2, así como la medición de la resistencia negativa del oscilador.

Por último, un desequilibrio entre estos topes es a veces introducido a propósito para aumentar el voltaje de salida del oscilador (para esto necesitas hacer el izquierdo más pequeño), pero esto también aumenta la disipación de potencia en el xtal: