Warum braten MCU-Quarzoszillatoren die Kristalle nicht?

Wenn es wirklich so schwer ist, es richtig einzuschätzen, warum geben die Hersteller dann keine besseren Anleitungen?

Oszillatordesigner haben es schwer, Resonatoren über einen sehr breiten Frequenzbereich unterzubringen, deren Belastbarkeit von Bruchteilen von Mikrowatt bis zu Milliwatt reichen kann.

• Der Oszillatortreiber läuft in seinem linearen Bereich – ein Tabu für digitale CMOS-Bausteine. Es kann erheblichen Gleichstrom verbrauchen, wenn seine Treiberstärke groß ist, daher werden CMOS-Designer dringend gebeten, diese Geräte so schwach wie möglich zu machen und immer noch an ihrem Hochfrequenzende zu oszillieren, aber dennoch mit Low-Z-Kristallen zu oszillieren.
  

• Darüber hinaus kann der Oszillator-Wechselrichter von Vdd gespeist werden, die variieren kann.

• Darüber hinaus verfügt der Enddesigner möglicherweise über mehr Softwarekenntnisse als Elektrotechnikkenntnisse.
  

Beim Entwerfen des Oszillators irrt man normalerweise auf die Seite, den Quarz zu übersteuern, weil ein Oszillator, der nicht oszilliert, nutzlos ist, während ein übersteuerter Oszillator eine gewünschte Ausgabe liefert - vielleicht squirrel, aber zumindest in der gewünschten Form (AC statt DC). Ein geringfügig angesteuerter Quarz kann zu langsam anlaufen und stromabwärts Probleme verursachen ... ein übersteuerter Oszillator baut die Schwingung schneller auf.

Ist der Ausgangswiderstand des Wechselrichters ausreichend? Wie kann man dafür entwerfen, außer Versuch und Irrtum?

Einige Wechselrichter-Datenblätter enthalten$r_o , g_{fs}$das kann helfen zu sagen, ob Oszillationen beginnen. Für CMOS-Inverter,$r_o$ist umgekehrt abhängig von Vdd, während$g_{fs}$ist direkt abhängig von Vdd. aus dem NXP 74HCU04 Datenblatt Kristallhersteller helfen uns dabei, indem sie die Lastkapazität für ihre Kristalle angeben. Wenn ein Parallelresonanzquarz mit dieser Kapazität geladen und mit den wenigen Volt betrieben wird, die von einem Wechselrichter zur Verfügung stehen, fließt der Quarzstrom ungefähr in der richtigen Größenordnung. Ein zusätzlicher Reihenwiderstand könnte verwendet werden, um die Treiberstärke und/oder die Startzeit einzustellen. Bei Hochfrequenz wird empfohlen, jeden hinzugefügten Vorwiderstand durch einen Kondensator zu ersetzen, dessen Wert zwischen 0,5 x Lastkapazität und 1 x Lastkapazität liegt. Speziell für 3. Oberton-Kristalle

Ein gutes Design könnte den Oszillator viel näher an den "Hunger"-Punkt führen als an den übersteuerten Punkt. Dabei riskiert man jedoch keine Oszillation.

Die meisten MCU-Datenblätter und Anwendungshinweise enthalten einige Grenzwerte für den Quarz, die Ladekondensatoren oder zumindest einige Oszillatorparameter, mit denen gearbeitet werden kann. Zum Beispiel zeigt der von Ihnen erwähnte STM32-Anwendungshinweis, wie berechnet wird, ob der Kristall kompatibel ist oder nicht. Wenn es nicht kompatibel ist, versuchen Sie es mit einem anderen Quarz, vielleicht mit einer kleineren Frequenz, einem kleineren CL oder einem kleineren ESR. Ein STM32F100-Chip sagt, dass er den Quarzausgang mit maximal 1 mA ansteuern kann.

Im Allgemeinen funktioniert die Auswahl eines Kristalls, der in diese Grenzen passt, nur ungefähr. Die Oszillatoren in der MCU können nicht mehr einfach durch CMOS-Inverter modelliert werden, da sie alle Arten von Schaltungen enthalten können, um einen zuverlässigen Start und eine automatische Verstärkungsregelung für die Amplitude zu unterstützen.

Der 100-uW-Antriebspegel ist nur ein typischer Pegel, nicht das Maximum, das der Kristall ohne Schaden aushalten kann. Und deshalb muss nach der Auswahl eines Quarzes, der die MCU-Anforderungen erfüllt, überprüft werden, ob die MCU die Quarzanforderungen bezüglich der Aussteuerung erfüllt. Die On-Board-Oszillatoren haben einen schwächeren Ausgang als Standard-Logikgatter, sodass der externe Widerstand normalerweise nicht erforderlich ist, um den Treiberpegel zu begrenzen.

Eric Vittoz war der Analog-IC-Designer, der Nanowatt-Kristalloszillatormethoden in die Schweizer Uhrenindustrie brachte.

Als Teil dieser Forschungsbemühungen veröffentlichte er eine Abhandlung über „eine zu hohe Verstärkung im Verstärker verhindert Quarz-/Schaltungsoszillationen“, in der die Mathematik Wurzelortskurven bei hohen Transkonduktanzen zeigt, die die NULL-Phasenverschiebungsachse kreuzen, wodurch der Aufbau der Schaltung unterdrückt wird Resonanzenergie.

Und hier ist der Punkt dieser Antwort: Eine hohe Transkonduktanz in einem Kleinsignalmodell kann als NIEDRIGER WIDERSTAND beschrieben werden. Und niedrige Widerstände, die Kondensatoren ansteuern (z. B. Ihre 10 pF), erzeugen kleine Phasenverschiebungen.

Ohne eine Phasenverschiebung von genau 360 Grad (oder 0 oder 720) und eine Nettoschleifenleistungsverstärkung wird sich die anfänglich schwache Kristallschwankung aufgrund des hohen Q nicht aufbauen.

Somit muss es einen zusammenhängenden Frequenzbereich mit einer Nettoschleifenleistungsverstärkung geben.

Die Schleife passt die Frequenz ständig an, da sich die PI-Kappen mit der Temperatur ändern und sich dieser Strombegrenzungswiderstand (oder die Transkonduktanz) auch mit der Temperatur ändert.

Warum? weil sich auch die externe Phasenverschiebung ändert.

Gängige Schaltungen akzeptieren aufgrund dieses zusammenhängenden Frequenzbereichs mit Nettoschleifenleistungsverstärkung einen großen Bereich an externem Widerstand (und sind daher beliebt).

Als Konstrukteur ist es Ihre Aufgabe, die Verstärker Pout und Zout sowie die externen Kondensatoren und den externen diskreten Vorwiderstand (falls vorhanden) so zu dimensionieren, dass unter allen Bedingungen eine zuverlässige Oszillation erreicht wird.

Hinweis „Zout“ des Verstärkers ist Teil Ihrer Konstruktionsaufgabe. Dieses Zout muss erfolgreich mit der PI-Kappe interagieren.

Wahrscheinlich variiert die "Größe" (B/L) der Verstärkertransistoren stark von Designer zu Designer, auch abhängig vom VDD-Bereich.