Diferentes condensadores de carga (15 y 10 pF) en cristal de cuarzo de 32,768 Hz

Question

Tengo un reloj/alarma de sobremesa electrónico chino cualquiera.

Resultó que carece por completo de condensadores en el cristal. Esa fue la razón por la que el reloj iba más rápido ~ 5 min cada mes.

Hace 6 meses He soldado condensadores de 15 pF. Y fue mucho mejor: el reloj iba 4 min más lento durante estos 6 meses. Pero me gustaría tener resultados aún mejores.

Lamentablemente no tengo condensadores de 12,5 pF, y no pude encontrar ninguno (ni siquiera en ebay). Así que soldé un condensador de 10 pF y otro de 15 pF.

La pregunta es si va a ser mejor. ¿Qué consecuencias tiene soldar diferentes condensadores al cristal de cuarzo?

ACTUALIZACIÓN (01.11.2017): Por favor, no tome en serio los datos mencionados regarging "...4 mins...". Lo más probable es que la batería se agotó y el reloj tiene que ser reiniciado. Se me había olvidado.

Han pasado unos 100 días (desde el 23 de julio). El reloj funcionaba continuamente y se ralentizaba 6 minutos (41,6ppm). Desoldé el condensador de 15pF y volví a poner 10pF (ahora el reloj tiene 2x condensadores de 10pF).

ACTUALIZACIÓN (11.08.2018) 227 días desde la última actualización. Los relojes son más lentos en 17 minutos (52ppm). Soldado 2x 2pF condensadores. Veremos, cómo va.

Answer 1

La pregunta es: ¿será mejor?

Me parece que será un poco mejor en el sentido de que reducirá el error entre los dos relojes - los condensadores hacen eso - recortan la respuesta de fase del filtro formado alrededor del cristal, la impedancia de salida del silicio y el condensador a la salida. Estoy pensando en topologías de oscilador Pierce como esta: -

Pero es igualmente aplicable a otras topologías de osciladores de cristal.

C1 y R1 añaden un poco de desfase extra que es necesario para que el circuito oscile porque, sin ellos presentes, una puerta inversora perfecta no puede ser animada a producir los pocos grados extra y no oscilará. Esto ocurre de vez en cuando y la pregunta enlazada a continuación está relacionada.

Por supuesto, incluso sin R1 como componente real, la impedancia de salida interna de la puerta sirve como R1. Tenga en cuenta que para el oscilador de perforación R podría ser interno al "chip" o realmente presente en la placa de circuito.

Resultó que le falta por completo cualquier condensador en el cristal

Siempre habrá capacitancia en la entrada de una puerta, por lo que puede haber unos 5 pF, y un ligero retardo en el inversor (sólo unos nanosegundos) puede provocar el cambio de fase adicional necesario para que el circuito oscile. Sin embargo, algunos circuitos sin capacitancia de salida nunca oscilarán.

¿Qué consecuencias tiene soldar diferentes condensadores al cuarzo? cuarzo?

Diferentes capacitancias se le demostró cuando no se instalaron condensadores reales. El condensador de entrada podría haber sido de 5 pF y el retardo de la puerta inversora produce el cambio de fase adicional necesario para que el oscilador oscile. Es un poco acierto y error, pero puede funcionar.

Aquí tienes una imagen de una simulación que hice hace tiempo que muestra el diagrama de bode de un cristal de 10 MHz y dos condensadores. Los condensadores en la entrada y la salida de la puerta se variaron simultáneamente como se muestra. Todo el eje X cubría unos 100 kHz por lo que pone en contexto lo poco que se puede desplazar un oscilador de cristal en la realidad: -

Si varié el condensador entre 20 pF y 10 pF puedes ver el rango de frecuencias donde la función de transferencia pasa por 180 grados. Un poco por debajo de 10 pF hay un punto en el que el desplazamiento de fase nunca llega a 180 grados y la única manera de que el circuito oscile es con la puerta inversora funcionando con suficiente desplazamiento de fase extra por encima de los 180 grados que se espera que proporcione.

El circuito no oscilará si el inversor tiene que funcionar a una frecuencia superior al nodo antirresonante para producir el desplazamiento de fase adicional necesario.

Imagen superior tomada de mi respuesta aquí .

He aquí un nuevo gráfico del desfase cuando sólo se varía el condensador de salida (el condensador de salida es el que normalmente se asocia a la salida del inversor): -

Oscilará con 20 pF, 10 pF y casi oscilará con cerca de 5 pF pero más bajo y no oscilará teóricamente.

Answer 2

La frecuencia nominal de cada XTAL viene especificada por el fabricante del cristal, y se define con una determinada "carga" del cristal. Si la carga difiere, la frecuencia de las oscilaciones también variará. Este efecto se denomina " arrancabilidad del cristal ", y Andy Aka tiene una buena demostración de ello. El pullability típico es cerca de +-100 ppm para 5 pF en la desviación total de la carga.

A efectos prácticos, sus resultados experimentales indican lo siguiente:

1. sin tapones (y la única carga la presentan las parásitas del circuito integrado y de la placa), tienes +115 ppm (5 min más rápido en un mes, 43200 min).

2. con tapones de 15 pF, tienes -15 ppm (4 min sobre 260.000 min).

3. En base a esto, e interpolando linealmente (en primera aproximación), necesitas unos tapones de 13,2 pF para llegar a 0 ppm. (Se puede hacer con 10pF más 3 pF por encima, o simplemente pedir dos 13 pF tapas de Digi-Key, + $ 7.99 de envío)

NOTA: si la carga se divide de forma desigual, se producirán cambios en las amplitudes de la señal en los extremos del cristal, lo que puede no ser una buena idea.

NOTA2: los 15 ppm son en realidad un resultado muy bueno, excelente, ya que normalmente la tolerancia mecánica es de unos 20 - 50 ppm solamente. Más, la frecuencia es bastante dependiente de la temperatura ambiente, por lo que su resultado variará dependiendo del clima y la temporada.

Para obtener una mayor precisión, se colocan osciladores (con cristales) en carcasas termoestabilizadas. Otra alternativa es la corrección periódica (una vez a la semana) a través de los servicios horarios de Internet, como se hace hoy en día en todos los PC.

Answer 3

Esos 2 tapones, junto con el cristal, forman un resonador y un divisor de tensión. Está claro que el oscilador sigue funcionando, con 10pF y 15pF instalados. Lo que sabes es que la relación de 10/15 o 15/10 (dependiendo de qué tapa está en el amplificador Vout y cuál está en el amplificador Vin) todavía no está perjudicando el margen de ganancia del bucle de realimentación. Usted podría intercambiar las 2 posiciones, y determinar si el oscilador todavía oscila (mantiene el tiempo), y mantiene un buen tiempo.

Sí, se puede mejorar (llevar mejor el tiempo). Suelde un casquillo del truco a través del 10pF; un truco es dos alambres aislados torcidos juntos para 1/2" o 1" o 2".

O tomas prestado un contador de frecuencia y ajustas la frecuencia a 1 parte en 300.000 (base de tiempo de 10 segundos) para obtener una precisión de 10 segundos por mes, o sigues experimentando con la tapa del truco a lo largo de los meses.

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En un artículo escrito hace décadas por Vittoz, famoso en el mundo de los circuitos integrados por su trabajo en osciladores de cristal para la industria relojera suiza, se explicaba que las variaciones de ganancia del amplificador (variaciones de transconductancia) ponían en peligro la capacidad de oscilación. Eso me dejó perplejo. El artículo de Eric Vittoz trazaba el punto raíz de las variaciones de ganancia, mostrando cómo para una ganancia muy baja y una ganancia muy alta, el comportamiento del bucle pasaba del plano izquierdo (con el desfase necesario) al plano derecho (que ya no proporcionaba el desfase adecuado). Para una ganancia moderada (transconductancia), el oscilador de cristal oscilaría.

Hace un par de años, experimentando con un prototipo de herramienta de simulador de fase magnética, me di cuenta de que la Rut (como dijo Andy) era clave para satisfacer el criterio de Barkhausen de exactamente (EXACTAMENTE) N*360 grados. Y en el artículo de Vittoz, el caso de una transconductancia muy alta ---- un gm enorme conduciendo un C ---- significaba que el ancho de banda era muy alto, la constante de tiempo era muy rápida, y se generaba poco desfase en la frecuencia del cristal.

He modelado esta situación, para Qs de un trillón (10^12) y ampliado a una resolución de microHertz alrededor de las resonancias en serie y en paralelo. El Rout (o gm o transconductancia) es de hecho parte de la condición de bucle de Barkhausen, debido a la interacción con toda la capacitancia (incluyendo diodos ESD y capacitancia pin-pin en leadframes IC) en Vout amplificador.

Answer 4

La pregunta es: ¿será mejor?

5min/mes son unos 100ppm. Estos cristales suelen tener una especificación de 20 ppm y, por lo general, no superan las 5 ppm a temperatura ambiente. Así que puedes hacerlo mejor.

La capacidad de tracción de esos cristales es limitada, lo cual es bueno. 20ppm es típico. En tu caso, parece ser 60ppm.

Una forma fácil de hacer que funcione aquí es un condensador de trucos. Fácil de hacer. Antes de ir allí, yo reduciría el condensador algunos dentro de 20ppm primero, y hacerlo en el lado más rápido también (->más pequeña capacitancia de carga).

¿Qué consecuencias tiene soldar distintos condensadores al cristal de cuarzo?

lo haría más lento. No es lo que quieres ahora.