Unterschiedliche (15 und 10 pF) Lastkondensatoren auf 32,768-Hz-Quarz

Die Frage ist, ob es besser wird?

Es klingt für mich so, als würde es ein bisschen besser sein, da es den Fehler zwischen den beiden Takten verringert - die Kondensatoren tun das - sie trimmen den Phasengang des um den Kristall gebildeten Filters, die Ausgangsimpedanz des Siliziums und des Kondensators am Ausgang. Ich denke hier an Pierce-Oszillatortopologien wie folgt: -

Aber es gilt genauso für andere Kristalloszillator-Topologien.

C1 und R1 fügen ein wenig zusätzliche Phasenverschiebung hinzu, die erforderlich ist, um die Schaltung zum Schwingen zu bringen, da ein perfektes invertierendes Gate ohne sie nicht dazu angeregt werden kann, die zusätzlichen paar Grad zu erzeugen, und es wird nicht oszillieren. Dies passiert ab und zu und die verlinkte Frage unten ist verwandt.

Selbst ohne R1 als tatsächliche Komponente dient natürlich die interne Ausgangsimpedanz des Gates als R1. Beachten Sie, dass R für den Lochstech-Oszillator im Inneren des "Chips" oder tatsächlich auf der Leiterplatte vorhanden sein kann.

Es stellte sich heraus, dass auf dem Quarz keinerlei Kondensatoren vorhanden sind

Am Eingang eines Gates befindet sich immer eine Kapazität, die möglicherweise 5 pF ausmacht, und eine leichte Verzögerung im Wechselrichter (nur wenige Nanosekunden) kann die zusätzliche Phasenänderung bewirken, die erforderlich ist, um die Schaltung zum Schwingen zu bringen. Einige Schaltungen ohne Ausgangskapazität werden jedoch niemals oszillieren.

Welche Folgen hat das Löten verschiedener Kondensatoren auf den Quarz?

Andere Kapazitäten wurden Ihnen gezeigt, als keine tatsächlichen Kondensatoren eingebaut waren. Der Eingangskondensator hätte 5 pF betragen können, und die Verzögerung des invertierenden Gates bewirkt die zusätzliche Phasenänderung, die erforderlich ist, um den Oszillator zum Schwingen zu bringen. Es ist ein bisschen hin und her wie dieses, kann aber funktionieren.

Hier ist ein Bild einer Simulation, die ich vor einiger Zeit gemacht habe und das den Bode-Plot eines 10-MHz-Quarzes und zweier Kondensatoren zeigt. Die Kondensatoren am Eingang und am Ausgang des Gatters wurden gleichzeitig wie gezeigt variiert. Die gesamte X-Achse deckte etwa 100 kHz ab, sodass es in einen Kontext stellt, wie wenig Sie einen Quarzoszillator in der Realität verschieben können: -

Wenn ich den Kondensator zwischen 20 pF und 10 pF variierte, können Sie den Frequenzbereich sehen, in dem die Übertragungsfunktion 180 Grad durchläuft. Etwas unter 10 pF gibt es einen Punkt, an dem die Phasenverschiebung niemals 180 Grad erreicht und die Schaltung nur dann schwingt, wenn das invertierende Gate mit genügend zusätzlicher Phasenverschiebung über die erwarteten 180 Grad hinaus läuft.

Die Schaltung schwingt nicht, wenn der Wechselrichter mit einer Frequenz über dem Antiresonanzknoten laufen muss, um die erforderliche zusätzliche Phasenverschiebung zu erzeugen.

Das obige Bild stammt aus meiner Antwort hier .

Hier ist ein brandneues Diagramm der Phasenverschiebung, wenn nur der Ausgangskondensator variiert wird (der Ausgangskondensator ist derjenige, der normalerweise mit dem Wechselrichterausgang verbunden ist): -

Es oszilliert mit 20 pF, 10 pF und fast oszilliert mit fast 5 pF, aber niedriger und oszilliert theoretisch nicht.

Die Nennfrequenz jedes XTAL wird vom Quarzhersteller angegeben und wird bei einer bestimmten "Belastung" des Quarzes definiert. Wenn die Last unterschiedlich ist, wird auch die Frequenz der Schwingungen unterschiedlich sein. Dieser Effekt wird " Kristallziehbarkeit " genannt, und Andy Aka hat eine gute Demonstration davon. Die typische Ziehbarkeit beträgt etwa +-100 ppm für 5 pF Gesamtlastabweichung.

Für praktische Zwecke deuten Ihre experimentellen Ergebnisse auf Folgendes hin:

1. ohne Kappen (und nur die Last wird durch IC- und Platinenspurparasiten dargestellt), haben Sie +115 ppm (5 min schneller in einem Monat, 43200 min).

2. mit 15 pF-Kappen haben Sie -15 ppm (4 min über 260.000 min).

3. Basierend darauf und bei linearer Interpolation (in erster Näherung) benötigen Sie eine 13,2-pF-Kappe, um auf 0 ppm zu gelangen. (Sie können es mit 10 pF plus 3 pF darüber machen oder einfach zwei 13 pF-Kappen von Digi-Key bestellen, + 7,99 USD Versand)

HINWEIS: Eine ungleichmäßige Lastverteilung führt zu Änderungen der Signalamplituden an den Enden des Kristalls, was möglicherweise keine gute Idee ist.

ANMERKUNG 2: Die 15 ppm sind tatsächlich ein sehr gutes Ergebnis, ein hervorragendes Ergebnis, da normalerweise die mechanische Toleranz allein etwa 20 - 50 ppm beträgt. Darüber hinaus hängt die Häufigkeit ziemlich von der Umgebungstemperatur ab, sodass Ihr Ergebnis je nach Wetter und Jahreszeit variieren kann.

Um eine bessere Genauigkeit zu erreichen, werden Oszillatoren (mit Kristallen) in thermisch stabilisierte Gehäuse eingebaut. Alternativ funktioniert auch die periodische Korrektur (einmal pro Woche) über Internet-Zeitdienste, wie sie heute auf allen PCs durchgeführt wird.

Diese 2 Kappen bilden zusammen mit dem Kristall einen Resonator und Spannungsteiler. Offensichtlich funktioniert der Oszillator immer noch, mit 10pF und 15pF installiert. Was Sie wissen, ist, dass das Verhältnis von 10/15 oder 15/10 (je nachdem, welche Kappe auf Vout des Verstärkers und welche auf Vin des Verstärkers liegt) die Verstärkungsspanne der Rückkopplungsschleife immer noch nicht beeinträchtigt. Sie können die 2 Positionen tauschen und feststellen, ob der Oszillator immer noch oszilliert (die Zeit hält) und eine gute Zeit hält.

Ja, Sie können es besser machen (halten Sie eine bessere Zeit ein). Löten Sie eine Gimmick-Kappe über die 10pF; Ein Gimmick sind zwei isolierte Drähte, die für 1/2 "oder 1" oder 2" miteinander verdrillt sind.

Leihen Sie sich entweder einen Frequenzzähler aus und stellen Sie die Frequenz auf 1 Teil in 300.000 (10-Sekunden-Zeitbasis) für eine Genauigkeit von 10 Sekunden pro Monat ein, oder experimentieren Sie über die Monate hinweg mit der Gimmick-Obergrenze.

Ein vor Jahrzehnten verfasster Artikel von Vittoz, der in IC-Kreisen für seine Arbeit an Kristalloszillatoren für die Schweizer Uhrenindustrie berühmt ist, erörterte, wie Variationen der Verstärkerverstärkung (Transkonduktanzvariationen) die Oszillationsfähigkeit gefährden. Das hat mich verwirrt. Das Papier von Eric Vittoz zeichnete den Wurzelort für Verstärkungsvariationen und zeigte, wie bei sehr niedriger Verstärkung und sehr hoher Verstärkung das Schleifenverhalten von der linken Ebene (mit erforderlicher Phasenverschiebung) in die rechte Ebene überging (keine angemessene Phasenverschiebung mehr). Bei moderater Verstärkung (Transkonduktanz) würde der Quarzoszillator oszillieren.

Vor einigen Jahren, als ich mit einem Prototyp eines Mag-Phase-Simulator-Tools experimentierte, erkannte ich, dass der Rout (wie Andy sagte) der Schlüssel zur Erfüllung der Barkhausen-Kriterien von genau (GENAU) N * 360 Grad war. Und im Vittoz-Papier bedeutete der Fall einer sehr hohen Transkonduktanz – ein riesiger GM, der ein C antreibt –, dass die Bandbreite sehr hoch war, die Zeitkonstante sehr schnell war und bei der Frequenz des Kristalls nur eine geringe Phasenverschiebung erzeugt wurde.

Ich habe diese Situation für Qs von einer Billion (10 ^ 12) modelliert und in Mikrohertz-Auflösung um die seriellen und parallelen Resonanzen herum gezoomt. Der Rout (oder gm oder Transkonduktanz) ist aufgrund der Wechselwirkung mit der gesamten Kapazität (einschließlich ESD-Dioden und Pin-Pin-Kapazität in IC-Leadframes) am Verstärker Vout tatsächlich Teil der Barkhausen-Schleifenbedingung.

Die Frage ist, ob es besser wird?

5min/Monat sind ca. 100ppm. Diese Kristalle sind typischerweise auf 20 ppm und im Allgemeinen innerhalb von 5 ppm bei Raumtemperatur spezifiziert. Du kannst es also besser machen.

Die Ziehbarkeit dieser Kristalle ist begrenzt - eine gute Sache. 20 ppm ist typisch. In Ihrem Fall scheint es 60 ppm zu sein.

Eine einfache Möglichkeit, dies hier zum Laufen zu bringen, ist ein Gimmick-Kondensator. Leicht gemacht. Bevor ich dorthin gehe, würde ich zuerst den Kondensator innerhalb von 20 ppm reduzieren und ihn auch auf der schnelleren Seite machen (-> kleinere Lastkapazität).

Welche Folgen hat das Löten verschiedener Kondensatoren auf den Quarz?

es würde es langsamer machen. Nicht das, was Sie jetzt wollen.