Welche Auswirkung hätte ein Vorwiderstand bei einer Quarzoszillatorschaltung auf den Wechselrichtereingang?

In einigen Anwendungshinweisen wird empfohlen, bei Bedarf einen externen Widerstand in Reihe mit dem OSC_OUT-Pin zu verwenden, um die Verlustleistung des Quarzes zu reduzieren . Ein gutes Beispiel ist der AN2867 STM32-Oszillator-Designleitfaden mit dem Namen "R_Ext".

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Beachten Sie, dass in keinem Anwendungshinweis ein Widerstand auf dem Zweig OSC_IN (EXTAL) vorhanden ist, und daher habe ich ihn nie für eine Transkonduktanzberechnung in Betracht gezogen (Anmerkung 1).

Also hat mich das S32K-Datenblatt ein wenig verärgert, das explizit einen zusätzlichen (internen) 280R-Widerstand am OSC_IN-Pin (der S32K nennt den Pin EXTAL) zeigt (Seite 27, Abbildung 8):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Also, meine Fragen sind:

  1. Hat dieser "Widerstand" einen Einfluss auf die Transkonduktanz (Verstärkungsmarge) des Schaltungsdesigns? BEARBEITEN - Zusatzfrage: Wenn es die Transkonduktanz beeinflusst, wie wird diese berechnet?
  2. Ist es wahrscheinlich, dass andere Effekte eingeführt werden, die bei der Gestaltung berücksichtigt werden müssen?
  3. Würde es jemals einen Grund geben, absichtlich einen Widerstand einzubauen, der mit dem Wechselrichtereingang verbunden ist?

Leider ist der 280R im Vergleich zum ESR von Quarzen im 16-MHz-Bereich (in der Größenordnung von 100R, z. B. this oder this ) 2-3 mal größer. Wenn er also tatsächlich die Transkonduktanzberechnung beeinflusst, ist der Effekt nicht trivial der Punkt, an dem sich die Schaltung weigern kann zu oszillieren.

Anmerkung 1:

Die Steilheitsberechnung, auf die ich mich beziehe, ist die modifizierte Form, die R_Ext berücksichtigt, wie in dem zuvor erwähnten STM32-Dokument erläutert:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ein Teil der Frage ist, ob der Widerstand an OSC_IN irgendwo in diese Berechnung einbezogen werden muss.

Meinst du den 280 Ohm Widerstand?
Da die Antworten derzeit erraten müssen, von welchem ​​​​Widerstand Sie sprechen (es gibt kein OSC_IN in der zweiten Abbildung und ein paar Widerstände, von denen mindestens drei mit dem verbunden sind, was wie der Eingang aussieht), stimme ich dafür, zu schließen, bis es behoben ist, also wir bekomme nicht viele unzusammenhängende Antworten. Fühlen Sie sich frei, zurück zu pingen, wenn es aktualisiert wurde.
@pipe, die Frage besagt im Titel eindeutig "am Wechselrichter-EINGANG". Es muss also nichts umformuliert werden.
@AliChen Eine von drei Antworten hat es "richtig" gemacht und Sie denken, die Frage ist kristallklar.
@pipe, ich denke, wir alle müssen besser auf Formulierungen achten. Zuerst habe ich auch die Essenz verpasst, aber nach dem zweiten Lesen und einigen Kommentaren wurde mir klar, dass ich mich geirrt hatte. Formal ist die Frage richtig, aber es gibt immer Raum für Verbesserungen, immer.
Ich denke, die "Note1" sollte aus der Frage entfernt werden, da sie Verwirrung darüber stiftet, welcher Widerstand unter der Frage steht, der Rext oder das ESD-PAD.
@Andyaka, ich habe jetzt in der bearbeiteten Frage ausdrücklich auf den 280R-Widerstand verwiesen und ihn hervorgehoben und den S32K-Namen mit dem STM32-Namen querverwiesen.
@AliChen, ich habe Anmerkung 1 eine zusätzliche Erklärung hinzugefügt, um zu zeigen, was die Steilheitsgleichung ist, auf die ich mich beziehe, und warum ich sie in Bezug auf die von mir gestellten Fragen zeige.
Diese Antwort erklärt, was der Ausgangswiderstand der Party bringt UND aus dem gleichen Grund tun die 280 Ohm und ein wenig Gate-Kapazität am internen Eingang dasselbe, jedoch in geringerem Maße.
@Andyaka, wie würdest du "aus dem gleichen Grund" sagen, während der 280R in deinem Modell absolut nicht mit R1 identisch ist? Versuchen Sie einfach, einen 280R vor dem Wechselrichter in Ihren Stromkreis einzufügen, und sehen Sie, was passieren wird. Nichts wird passieren. Die Wirkung von 280R ist nicht "aber in geringerem Maße", sondern in "vernachlässigbarem Maße". Der R1/R(ext) führt einen direkten Teiler (R1:ESR) ein und hat daher einen proportional negativen Effekt auf die Verstärkung, während der 280R:1-Mohm-Eingangsteiler einen vernachlässigbaren Verstärkungsreduktionsfaktor von 0,99972 einführt.
Ähm, die verbleibende Eingangskapazität des Verstärkers wird eine Phasenverschiebung von wenigen Grad ergeben, vielleicht nur einen Bruchteil dessen, was der Ausgangswiderstand liefert, aber es tut es trotzdem und aus dem gleichen Grund.

Antworten (3)

Die Fragen beziehen sich auf den 280-Ohm-Widerstand am Eingang. Das Bild zeigt deutlich, dass es sich um ein "ESD-Pad" handelt, und der Wert "280" stellt wahrscheinlich das Massenmodell für diese Pad-Zelle dar.

  1. Hat dieser "Widerstand" einen Einfluss auf die Transkonduktanz (Verstärkungsmarge) des Schaltungsdesigns?

Ja, der Widerstand verringert im Allgemeinen die Gesamtverstärkung des Verstärkers (aufgrund einer kleinen parasitären Obergrenze am internen Wechselrichtereingang), aber der Verstärkungsverlust wird wahrscheinlich im Wechselrichterdesign kompensiert.

  1. Ist es wahrscheinlich, dass andere Effekte eingeführt werden, die bei der Gestaltung berücksichtigt werden müssen?

Nicht wirklich, siehe oben.

  1. Würde es jemals einen Grund geben, absichtlich einen Widerstand einzubauen, der mit dem Wechselrichtereingang verbunden ist?

Dies ist nur ein Modell für den ESD-Schutz am Stift. Da die tatsächliche interne Eingangsimpedanz wahrscheinlich im Mega-Ohm-Bereich liegt, sollten die 280-Ohm nicht viel Einfluss haben. Selbst wenn der Wechselrichtereingang eine parasitäre Kapazität von 1 pF hat, liegt die RC-Grenzfrequenz im ~3-GHz-Bereich oder deutlich außerhalb der typischen Arbeitsfrequenz von 20-40 MHz

Daher sollte der Eingangswiderstand für das Gesamtdesign keine Rolle spielen.

Danke für die Antwort. Ich versuche, Ihre Antwort mit der Antwort von @ Annie in Einklang zu bringen. In Ihrer Antwort schlagen Sie vor, dass der (280R) "Widerstand" die Schaltung hauptsächlich aufgrund der parasitären Kapazität beeinflusst, die im Großen und Ganzen klein ist, und nicht aufgrund der Auswirkung des Widerstands. Annie schlägt vor, den "negativen Widerstand" der Schaltung und damit die Verstärkung zu reduzieren. Würde der 280R in Bezug auf den (mehr oder weniger) hochohmigen Verstärker "gesehen" werden?
@Damien, der 280R ist in Reihe mit einer Eingangsimpedanz von ~ 1 MOhm geschaltet. Das Hinzufügen von 300R zu 1M hat keine Auswirkungen, außer einer kleinen Abschaltung aufgrund von Eingangsgate-Parasiten. Das R (Ext) ist anders, es ist ein Teil der Gesamtrückkopplung, ein Teil des C1-XTAL-C2-Transformators (oder wie auch immer es heißt, wenn das Kappenverhältnis die Spannung anstelle des Wicklungsverhältnisses definiert, und das R (Ext) ist der Widerstand zu sorgen um.
Ali, diese Antwort macht für mich intuitiv Sinn und ich bin geneigt, sie zu akzeptieren. Da es jedoch der Antwort von @Annie widerspricht, warte ich darauf, dass ihre Antwort geändert wird - möglicherweise werden zusätzliche Einblicke angeboten.
@Damien, weitere amüsante Dinge über den Pierce-Oszillator finden Sie in dieser Antwort, electronic.stackexchange.com/a/371101/117785 .
Meiner Meinung nach erklärt jedoch keine der Antworten im angegebenen Link die Rolle des Kristalls sowie des Rückkopplungswiderstands richtig. Der Quarz wird einfach als Induktivität verwendet (und bildet somit zusammen mit den zugehörigen Komponenten einen Tiefpass 3. Ordnung) und die Rückkopplung R ist für einen korrekten DC-Bias-Punkt (in der Mitte des quasilinearen Bereichs des Wechselrichters) erforderlich.

Der Kristall vibriert NICHT bei einigen Harmonischen. Es ist der einzige Zweck des Quarzes, seine Induktivität bereitzustellen, um einen Tiefpass 3. Ordnung (Rext+rout)-CL2-L-CL1 zu bilden. Nur ein solcher Tiefpass ist in der Lage - wie in Andy aka's Kommentar erwähnt - die erforderliche 180-Grad-Phasenverschiebung bei nur einer einzigen Frequenz bereitzustellen.

(Ein solcher Quarz kann immer als High-Q-Induktivität bei einer Frequenz irgendwo zwischen der seriellen und parallelen Resonanzfrequenz verwendet werden.)

Zusammen mit den invertierenden Eigenschaften des aktiven Elements ermöglicht dies die Realisierung der erforderlichen positiven Rückkopplung für die Oszillation.

Anmerkung: Wie der Fragesteller bemerkt hat, wird in einigen Anwendungshinweisen empfohlen, einen solchen externen Widerstand zu verwenden - und bei einigen Anwendungen ist er nicht enthalten. Die Notwendigkeit eines externen Widerstands hängt vom verwendeten aktiven Elementelement ab: Bei einem Operationsverstärker mit sehr kleinem Ausgangswiderstand wird immer ein externer Widerstand benötigt - im Gegensatz zum Kollektor (Drain) eines Transistors, wo wir einen endlichen Ausgang haben Widerstand, der zur Bildung des Tiefpasses 3. Ordnung ausgenutzt werden kann.

Entgegen der Aussage vibrieren Kristalle, physical.ncsu.edu/nanotribology/publications/ref80.pdf Wie sonst, glauben Sie, ist der Kristall in der Lage, den wahnsinnigen Wert einer äquivalenten Induktivität bereitzustellen?
Ich habe geschrieben, dass - in dem Beispiel - der Quarz nicht BEI SOME HARMONICS (also: nicht auf einer der Resonanzfrequenzen) schwingt, sondern auf einer anderen Frequenz.

In Ihrem oberen Diagramm macht R Ext zwei Dinge:

  1. Es reduziert den vom Kristall gesehenen Antriebspegel. Einige kleine Kristalle sind für niedrige Antriebspegel ausgelegt und können beispielsweise durch eine 5-V-Rechteckwelle beschädigt werden.

    Beachten Sie die Beschreibung für R Ext . Es heißt sogar "R Ext : externer Widerstand zur Begrenzung des Ausgangsstroms des Wechselrichters" .

  2. Es stellt eine garantierte Mindestimpedanz bereit, gegen die C L2 arbeiten kann. Im Gegensatz zu dem, was die meisten Referenzen sagen, ist C L2 nicht wirklich ein Kristall-"Last" -Kondensator. Seine Aufgabe besteht darin, einen Teil des Oberwellengehalts herauszufiltern, der vom Wechselrichterausgang kommt.

    Im Idealfall hat der Wechselrichterausgang 0 Impedanz. In diesem Fall ändert ein Kondensator an seinem Ausgang die Spannung überhaupt nicht. C L2 wird irrelevant, und der Quarz wird immer von der Rechteckwelle aus dem Inverter angesteuert.

    R Ext und C L2 bilden zusammen einen Tiefpassfilter, der die Oberwellen im Ausgang des Wechselrichters dämpft. Schließlich tut nur das Grundlegende etwas Nützliches. Kristalle können bei einigen Harmonischen schwingen. Wenn die Schleifenverstärkung bei einer dieser Harmonischen über Eins liegt, läuft der gesamte Oszillator möglicherweise mit dieser Frequenz. In einigen Fällen wird dieser Effekt bewusst genutzt, um den Quarz im „Oberton“-Modus laufen zu lassen.

Zwei Dinge - die Operation, von der ich glaube, dass sie über den OSC_IN-Widerstand spricht, den ich in seinem letzten Diagramm für die 280 Ohm im Chip halte. Die zweite Sache ist, dass immer ein Ausgangswiderstand benötigt wird, um 180 Grad zu geben, um oszillieren zu können. Es und CL2 kippen die Phasenverschiebung so, dass 180 Grad nahe der mit XTAL bezeichneten Frequenz erreicht werden.
@Olin, danke für die Antwort. Die Frage hätte klarer sein sollen, dass sie sich auf den 280R-Widerstand bezog, der sich am Oszillatoreingang befindet. Die Frage wurde entsprechend aktualisiert.
Welche Auswirkung hätte ein Vorwiderstand bei einer Quarzoszillatorschaltung auf den Wechselrichtereingang?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v