Wieder die Lastkapazität des Kristalloszillators

Gibt es eine einzig wahre Antwort auf die Frage? Auf mich wirkt das alles sehr frustrierend. Warum startet ein Oszillator nicht?

Ein Quarzoszillator startet nicht, wenn der Quarz und die auf beiden Seiten angebrachten Kondensatoren keine vollständige Phasenverschiebung von 180 Grad zurück zum Eingang des Inverters im Chip erzeugen.

Der Wechselrichter erzeugt effektiv eine Phasenverschiebung von 180 Grad, sodass die beiden Kondensatoren und der Kristall zusammen eine zusätzliche Phasenverschiebung von 180 Grad bilden müssen, damit die Oszillation beginnen kann, UND es muss eine Gesamtspannungsverstärkung von mehr als 1 geben.

Sehen Sie sich diese Antwort an - sie ahmt einen Kristall und einen Kondensator nach, erreicht aber nicht ganz 180 Grad: -

V1 ist die treibende Spannungsquelle und R2 (100 Ohm) repräsentiert die Ausgangsimpedanz des am Oszillator beteiligten Gates. Schauen Sie genau hin, der Phasenwinkel erreicht nicht ganz 180 Grad und dies bedeutet KEINE SCHWINGUNG.

Die zusätzlichen paar Grad Phasenverschiebung kommen vom Ausgangskondensator am Wechselrichter - die 100 Ohm (oder was auch immer die Ausgangsimpedanz des Wechselrichters hat) UND diese zusätzliche Kapazität drücken die Phasenverschiebung über 180 Grad hinaus und der Oszillator schwingt dann.

Hier ist ein Bild, das den Effekt einer Erhöhung der Eingangs- und Ausgangskapazität von 1 pF auf 20 pF zeigt: -

Die X-Achse liegt bei 9,9 MHz FYI. Wie Sie möglicherweise sehen können, erzeugt die Schaltung nur bei einer Kapazität von 10 pF oder 20 pF eine Phasenverschiebung von 180 Grad. Dies bedeutet, dass der Oszillator am linken Punkt auf jeder Phasenkurve oszilliert, an dem die Antwort 180 Grad kreuzt (paralleler Resonanzpunkt, abgestimmt durch die externe Kapazität).

Sie brauchen also Kondensatoren, damit diese Art von Oszillator funktioniert, und der Hersteller sagt Ihnen, was Sie verwenden sollen, aber meiner bescheidenen Meinung nach gibt es viele Feinheiten, die einige Hersteller vielleicht nicht vollständig kennen oder Ihnen nicht sagen werden . Ich möchte auch hinzufügen, dass es anscheinend nur sehr wenige Webartikel darüber gibt, was wirklich vor sich geht und wie wichtig die einzelnen Kondensatoren sind.

Warum startet das Entfernen der externen Lastkondensatoren?

Möglicherweise reichen die Eigenkapazität der Spuren und die Gate-Eingangskapazität aus. Es hängt auch vom Q des Kristalls ab und ist schwer zu spekulieren. Vielleicht ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Wechselrichters zu langsam?

AN2867 von ST ist auch eine großartige App-Notiz, die Sie lesen sollten. Abgesehen von der Transkonduktanz des Oszillators geben fast ALLE IC-Hersteller die Eingangs- und Ausgangskapazitäten des Oszillators nicht an. Diese sollten wirklich in die Lastkondensatorberechnung einbezogen werden und können einen großen Unterschied machen. Natürlich sollten auch PCB-Kapazitäten berücksichtigt werden, und diese lassen sich mit verschiedenen PCB-Design-Tools leichter abschätzen (Saturn PCB Toolkit ist eine gute kostenlose App).

Die einzige wirkliche Möglichkeit, die volle Funktionalität des Oszillators zu garantieren (nach Durchführung der Konstruktionsberechnungen), besteht darin, ihn über den gesamten Temperaturbereich und die Betriebsspannungen zu testen. Einige Kristallhersteller bieten auch Dienstleistungen an, um genau dies zu tun. Abracon ist eines, das ich kenne, und die aktuellen Kosten liegen bei etwa 800 USD für die vollständige Charakterisierung eines Kristalls auf einer Anwendungsschaltung.

Die Oszillationsbedingung ist, wie Andy erwähnt, dass das Barkhausen-Kriterium erfüllt ist (Phasenverschiebung um die Schleife ein ganzzahliges Vielfaches von 2$\pi$und Gewinn von$\ge$1).

Ein guter Kristallhersteller wird Ihnen die Informationen geben, die Sie benötigen, um eine Oszillation zu garantieren, aber es fehlt ein Teil – die Transkonduktanz$g_m$des CMOS-Verstärkers - wie viel Änderung des Ausgangsstroms Sie für eine bestimmte Änderung der Eingangsspannung erhalten. IC-Hersteller wollen dies nicht spezifizieren (ja, ich habe große MCU-Hersteller gefragt). Sie ändert sich natürlich mit der Temperatur und variiert von Einheit zu Einheit. Das Endergebnis ist, dass niemand (außer Ihnen) daran hängen bleibt, zu garantieren, dass Ihr Produkt tatsächlich mit einem externen Kristall funktioniert.

Ich schlage vor, dass Sie diesen technischen Hinweis und die Referenzmaterialien für den Anfang lesen. Es gibt mindestens ein ganzes Buch, das Quarzoszillatoren gewidmet ist.

In Bezug auf die Lastkondensatoren sind die von Ihnen angegebenen Gleichungen äquivalent (die zweite geht von der üblichen Situation aus, bei der die Kondensatoren den gleichen Wert haben). Wenn Sie möchten, dass der Quarz so nah wie möglich an der markierten Frequenz oszilliert, passen Sie im Durchschnitt die Gesamtlastkapazität an die Angaben des xtal-Herstellers an, indem Sie die beiden Kondensatoren angeben (normalerweise haben beide den gleichen Wert, also haben Sie nur ein Freiheitsgrad). Wenn die Kondensatoren dazu führen, dass der Oszillator unzuverlässig wird, wählen Sie einen anderen Quarz oder einen anderen Chip oder leben Sie mit einem leichten Frequenzfehler. Oder spezifizieren Sie ein Quarzoszillatormodul und verlagern Sie das Risiko auf einen externen Anbieter.

Ob der Kristall tatsächlich unter allen Bedingungen mit allen Instanziierungen einer bestimmten Chip-Teilenummer zuverlässig oszilliert, ist wirklich eine orthogonale Frage (und wahrscheinlich die wichtigeren Anwendungen - vielleicht interessieren sich die Anwendungen nicht für einen Fehler von +/- 0,01% bei der Kristallfrequenz, aber dass der Kristalloszillator nicht startet, ist ein ernstes Problem).

Nicht Teil Ihrer Frage, aber die maximale Antriebsleistung ist auch ein Faktor, der überprüft werden muss, insbesondere bei kleineren Quarzen und Stimmgabelquarzen. Die älteren Kristalle konnten oft 1 mW Leistung aufnehmen, aber kleinere neue haben viel niedrigere Maximalwerte. Oft ist ein Vorwiderstand (vom Ausgang) nützlich, um die Antriebsleistung zu reduzieren, aber er reduziert natürlich die Verstärkung, sodass der Oszillator bei einem bestimmten Wert nicht startet.