Кристаллы, конденсаторы и W5100

Фон:

Я собрал ряд устройств на чипе W5100, все они работали (работают) более-менее прилично. Однако последняя партия, находящаяся в настоящее время в тестировании, показывает ошибочное поведение - почти все из них. Это меня очень смутило и расстроило, так как я использовал те же детали, что и раньше, но поведение определенно отличается от предыдущих партий. Неисправное поведение проявляется в виде разрыва связи, сброса PHY, RX-штормов, когда в сети фактически нет пакетов.

После замены чипа (подозревая, что он неисправен или я его как-то поджарил) безрезультатно решил выпаивать все остальные детали по очереди и заменяя их на 100% проверенные детали, чтобы узнать, когда изменится поведение. Использовал детали, купленные и проверенные ранее, и детали от сетевой карты Intel на базе 82546. Magjack - без изменений, конденсаторы 0,1 мкФ - без изменений, резисторы 4*49,9 Ом - без изменений.

К моему большому удивлению, проблема была решена, когда я заменил кварц 25 МГц от карты Intel вместе с соответствующими крышками от этой карты. Теперь W5100 работает отлично, без проблем.

Это указывает на то, что система генерации тактовых импульсов, приложенная к W5100, работала некорректно. У меня есть осциллограф, и я измерил синусоидальный сигнал 25 МГц, и не думал, что должно быть что-то еще. Теперь я думаю, что важна не только форма сигнала, но и его синхронизация - если он постоянно имеет 25 МГц без дрейфа частоты, и тип схемы, подключенной к схеме генерации часов. W5100 имеет * 5 PLL внутри, и, конечно, дрейф входной частоты может сбить с толку PLL - с последующей путаницей подключенной логики.

Предыстория вопроса:

Поэтому я начал копаться в схеме генерации тактовых импульсов и основах ее работы. Я никогда не копался в этом раньше, так что это было ново для меня. Я узнал полезную информацию здесь на странице 16 и здесь в ответе.

Кристалл, который я использовал, 25 МГц, 3-контактный (3-й контакт - корпус кристалла), емкость нагрузки 30 пФ, допуск по частоте 27 ppm. Глядя на техническое описание W5100, я вижу следующие требования:

• Частота: 25 МГц
• Допуск по частоте: 30 частей на миллион
• Емкость шунта: 7 пФ
• Уровень привода: 100 мкВт
• Емкость нагрузки: 27 пФ
• Старение: 3 ppm в год

Так что мой кристалл немного не соответствует требованиям к емкости нагрузки, но это совсем немного. Может ли это быть причиной того, что я спросил себя, и смогу ли я заставить этот кристалл работать в любом случае? Оказалось, что я могу!

Таким образом, в соответствии с этими умными формулами, используя этот кристалл и беря максимальную предполагаемую паразитную емкость, я должен использовать конденсаторы по 46 пФ с каждой стороны моего кристалла:

30 = (х^2 / (2х)) + 7

23 = х/2

х = 46

Ближайшее реальное значение составляет 47 пФ.

Для меня было большим сюрпризом, что пайка конденсаторов 47 pF, которые у меня были под рукой, заставила W5100 работать правильно! ВТФ подумал я?

Решил посмотреть даташит на W5100 поближе.

1. В технических описаниях и эталонных схемах нет рекомендуемого списка деталей, только значения с их характеристиками. Я бы хотел, чтобы у него были номера деталей, чтобы я не ломал голову над выбором деталей и просто заказывал проверенные детали;
2. Там написано, что емкость нагрузки кварцевого резонатора составляет 27 пФ, а прикрепленные конденсаторы — по 18 пФ каждый. Однако, используя формулу, я получаю:

Cl = 18 ^ 2 / (18 * 2) + Cs

Принимая Cs ~ 7

Кл = 9 + 7 = 16

Так что же, черт возьми, в техническом описании говорится, что мне нужен кристалл с емкостью нагрузки 27 пФ, когда схема предполагает 16 пФ? Внутренности крошечного чипа W5100 добавляют еще 11 пФ - и я сомневаюсь в этом по простой причине - чип сильно нагревается во время работы, и добавление емкости в чип заставит его дрейфовать с температурой (даже если он NP0-типа).

Сам вопрос:

1. Я не припоминаю, что раньше видел схему генерации тактовых импульсов с емкостью конденсаторов до 47 пФ. Являются ли эти значения заглавных букв слишком высокими, вплоть до того, что схема в каком-то отношении плохая?
2. Как вы думаете, смогу ли я сохранить эту схему с моим токовым кристаллом (нагрузочная емкость 30 пФ) и токовые конденсаторы (47 пФ - CC0805JRNP09BN470), или мне придется полностью заменить детали?
3. Я что-то упустил из таблицы данных W5100 и описания типичного кристалла на странице 68? Справочную схему с заглушками можно найти здесь в zip-архиве. Глядя на него сейчас, я вижу даже конденсаторы по 13 пФ (уверен, что в предыдущей версии было 18 пФ).
4. Схема генерации тактового сигнала W5100 включает резистор 1 МОм, подключенный параллельно кристаллу. Меняется ли формула и как?

Обновлять:

Вы указали и измерили стек слоев печатной платы?

Нет, у меня нет для этого оборудования. Не думал, что это должно быть так важно, если я буду следовать рекомендациям производителя и иметь дизайн, проверенный WIZnet (хотел сказать «одобрен», но это не так :)

Он такой же, как и в других партиях?

Все платы производятся одним и тем же производителем в Китае, и компоновка одинаковая (была).

Резистор смещения обеспечивает отрицательную обратную связь внутреннего небуферизованного инвертора, чтобы обеспечить правильное смещение. Я не уверен после прочтения вашего вопроса, использовали ли вы один или один из них был внутренним для вашего чипа.

Он есть и всегда был там, впаян в плату. Колпачки были такие же, как и в предыдущей партии; Резисторы номиналом 1 МОм одинаковы для всех партий. Кварцевый осциллятор всегда приобретался в одном и том же магазине. У меня в предыдущей партии было браковано 2 платы из нескольких десятков - по той же причине я бракую почти все в этой партии, но в тот раз я НЕ стал разбираться дальше, думая, что дело в пайке или в чем-то еще.

"После замены чипа" это из той же партии?

Купил новый в другом магазине, датакод был другой.

Я также предлагаю вам показать разводку печатной платы.

Вы должны легко найти кристалл с помощью колпачков и резистора в цепи. Короткие дорожки, близко к чипу, нет дорожек сверху или снизу, которые влияют на работу, пустое пространство заполнено GND (не видно на этом изображении без полигонов).

Колпачки и резистор находятся сверху, кристалл вставляется через отверстие снизу. Два резистора слева предназначены для опорного напряжения PHY, вверху. Кристалл имеет 3 контакта, центр которых заземлен (тело кристалла).

Обратите внимание , что в своих вопросах я не только прошу помочь мне решить мою проблему и проверить, правильно ли я все сделал, я также прошу просмотреть документацию WIZnet и то, что они говорят в таблице данных, чтобы увидеть, неправы ли они и / или им нужно должным образом обновлять свою документацию (технические описания и/или справочные схемы), чтобы другие люди делали это с самого начала.