Емкость нагрузки кварцевого генератора, снова

Есть ли один верный ответ на вопрос? Мне все это кажется очень удручающим. Почему осциллятор не запускается?

Кварцевый генератор не запустится, если кварц и конденсаторы, прикрепленные с обеих сторон, не обеспечивают полного фазового сдвига на 180 градусов обратно на вход инвертора внутри микросхемы.

Инвертор фактически производит фазовый сдвиг на 180 градусов, поэтому для начала генерации два конденсатора и кристалл вместе должны образовывать дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов, И общий коэффициент усиления по напряжению должен быть больше 1.

Посмотрите на этот ответ - он имитирует кристалл и один конденсатор, но не достигает 180 градусов: -

V1 является источником управляющего напряжения, а R2 (100 Ом) представляет собой выходной импеданс затвора, задействованного в генераторе. Посмотрите внимательно, фазовый угол не совсем достигает 180 градусов, и это будет означать НЕТ КОЛЕБАНИЙ.

Дополнительные несколько градусов фазового сдвига исходят от выходного конденсатора инвертора - 100 Ом (или любого другого выходного импеданса инвертора), И эта дополнительная емкость увеличивает фазовый сдвиг более чем на 180 градусов, и тогда генератор будет колебаться.

Вот рисунок, показывающий эффект увеличения входной и выходной емкости с 1 пФ до 20 пФ:

Ось X находится на частоте 9,9 МГц. Как вы можете видеть, только когда емкость составляет 10 пФ или 20 пФ, схема производит фазовый сдвиг на 180 градусов. Это означает, что осциллятор будет колебаться в левой точке каждой фазовой кривой, которую отклик пересекает на 180 градусов (параллельная резонансная точка, настроенная внешней емкостью).

Итак, вам нужны конденсаторы, чтобы заставить этот тип генератора работать, и производитель говорит вам, что использовать, но, по моему скромному мнению, есть много тонкостей, о которых некоторые производители, возможно, либо не до конца знают, либо не расскажут вам. . Я также добавлю, что в Интернете очень мало статей о том, что на самом деле происходит, и об истинной важности каждого конденсатора.

Почему удаление внешних нагрузочных конденсаторов приводит к его запуску?

Возможно, собственной емкости дорожек и входной емкости затвора достаточно. Это зависит также от добротности кристалла, и о нем трудно судить. Может скорость нарастания инвертора слишком низкая?

AN2867 от ST также является отличным примечанием к приложению, которое вы должны прочитать. Помимо крутизны генератора, почти ВСЕ производители ИС не указывают входную и выходную емкости генератора. Они действительно должны быть включены в расчет нагрузочного конденсатора и могут иметь большое значение. Естественно, следует также учитывать емкости печатных плат, и их легче оценить с помощью различных инструментов проектирования печатных плат (Saturn PCB toolkit — хорошее бесплатное приложение).

Единственный реальный способ гарантировать полную функциональность генератора (после выполнения проектных расчетов) — это протестировать его во всем диапазоне температур и рабочих напряжений. Некоторые производители хрусталя также предлагают услуги именно для этого. Я знаю один из них, Abracon, текущая стоимость которого составляет около 800 долларов США за полную характеристику одного кристалла в одной прикладной схеме.

Условие осцилляции, как упоминает Энди, состоит в том, что соблюдаются критерии Баркхаузена (фазовый сдвиг вокруг контура составляет целое число, кратное 2$\pi$и прибыль$\ge$1).

Хороший производитель кристаллов предоставит вам информацию, необходимую для гарантии генерации, однако есть одна недостающая деталь — крутизна.$g_m$КМОП-усилителя - насколько сильно изменяется выходной ток при заданном изменении входного напряжения. Производители микросхем не хотят указывать это (да, я спросил крупных производителей микроконтроллеров). Конечно, она меняется в зависимости от температуры и варьируется от устройства к устройству. Конечным результатом является то, что никто (кроме вас) не застрянет, гарантируя, что ваш продукт действительно будет работать с внешним кристаллом.

Я предлагаю вам прочитать эту техническую заметку и справочные материалы для начала. Есть как минимум одна целая книга, посвященная кварцевым генераторам.

Что касается нагрузочных конденсаторов, то приведенные вами уравнения эквивалентны (второе предполагает обычную ситуацию с конденсаторами одинакового значения). Если вы хотите, чтобы кварц колебался как можно ближе к отмеченной частоте, в среднем, вы сопоставляете общую емкость нагрузки с тем, что указал производитель xtal, указав два конденсатора (обычно они оба имеют одинаковое значение, поэтому у вас есть только одна степень свободы). Если конденсаторы вызывают ненадежность генератора, выберите другой кварц или другую микросхему, или живите с небольшой ошибкой частоты. Или укажите модуль кварцевого генератора и переложите риск на стороннего поставщика.

Будет ли кварц действительно надежно колебаться при любых условиях со всеми экземплярами данного номера детали чипа, на самом деле является ортогональным вопросом (и, вероятно, более важным, поскольку приложения могут не заботиться о +/- 0,01% ошибка в частоте кристалла, но кварцевый генератор не запускается - серьезная проблема).

Не является частью вашего вопроса, но максимальная мощность привода также является фактором, который необходимо проверить, особенно с меньшими кристаллами и кристаллами камертона. Старые кристаллы часто могли потреблять 1 мВт мощности, но меньшие новые имеют максимальные значения, которые намного ниже. Часто последовательный резистор (с выхода) полезен для снижения мощности возбуждения, но, конечно, он уменьшит коэффициент усиления, поэтому при некотором значении генератор не запустится.