Почему кварцевые генераторы MCU не поджаривают кристаллы?

Если это действительно так сложно правильно измерить, почему производители не дают более подробных рекомендаций?

Разработчикам генераторов предстоит тяжелая работа по размещению резонаторов в очень широком диапазоне частот, чья мощность может варьироваться от долей микроватт до милливатт.

• Драйвер генератора работает в своей линейной области, что недопустимо для цифровых КМОП-устройств. Он может потреблять значительную мощность постоянного тока, если его сила возбуждения велика, поэтому разработчикам КМОП настоятельно рекомендуется делать эти устройства как можно более слабыми и по-прежнему генерировать на их высокочастотном конце, но все же генерировать с кристаллами с низким Z.
  

• Кроме того, инвертор генератора может питаться от напряжения Vdd, которое может варьироваться.

• Кроме того , у конечного дизайнера может быть больше навыков работы с программным обеспечением, чем с навыками электротехники.
  

При проектировании генератора обычно ошибаются в сторону перенапряжения кристалла, потому что генератор, который не колеблется, бесполезен, в то время как перегруженный осциллятор дает желаемый выходной сигнал - возможно, беличьий, но, по крайней мере, желаемой формы (переменный ток). а не ДК). Кварцевый генератор с маргинальным возбуждением может запускаться слишком медленно, вызывая проблемы на последующих этапах… осциллятор с перегрузкой формирует колебание быстрее.

Достаточно ли выходного сопротивления инвертора? Как можно спроектировать для этого, кроме проб и ошибок?

Несколько спецификаций инвертора включают$r_o , g_{fs}$это может помочь определить, начнутся ли колебания. Для инверторов CMOS,$r_o$обратно зависит от Vdd, а$g_{fs}$напрямую зависит от Vdd. из технического описания NXP 74HCU04 Производители кристаллов помогают нам ориентироваться, указывая емкость нагрузки для своих кристаллов. Когда параллельный резонансный кристалл нагружен этой емкостью и управляется несколькими вольтами, доступными от инвертора, ток кристалла течет примерно в правильном диапазоне. Дополнительный последовательный резистор можно использовать для регулировки мощности возбуждения и/или времени запуска. При высокой частоте рекомендуется заменить любой добавленный последовательный резистор конденсатором, значение которого находится в диапазоне от 0,5X емкости нагрузки до 1X емкости нагрузки. Специально для кристаллов 3-го обертона

Хороший дизайн может запустить осциллятор намного ближе к точке «голода», а не к точке перегрузки. Но при этом нет риска колебаний.

В большинстве спецификаций микроконтроллеров и заметок по применению указаны некоторые ограничения для кристалла, нагрузочных конденсаторов или, по крайней мере, перечислены некоторые параметры генератора, с которыми можно работать. Например, в примечании к применению STM32, о котором вы упомянули, показано, как рассчитать, совместим кристалл или нет. Если он несовместим, попробуйте другой кварц, возможно, с меньшей частотой, меньшим CL или меньшим ESR. Чип STM32F100 говорит, что он может управлять выходом кристалла с максимальным током 1 мА.

Таким образом, выбор кристалла, который соответствует этим ограничениям, будет работать лишь приблизительно. Генераторы внутри MCU больше не могут быть просто смоделированы с помощью КМОП-инвертора, поскольку они могут иметь все виды схем, обеспечивающих надежный запуск и автоматическую регулировку усиления для амплитуды.

Уровень привода 100 мкВт — это только типичный уровень, а не максимальный, который кристалл может выдержать без повреждений. И именно поэтому после выбора кристалла, который соответствует требованиям MCU, необходимо проверить, соответствует ли MCU требованиям к кристаллу в отношении уровня привода. Встроенные генераторы имеют более слабый выходной сигнал, чем стандартные логические элементы, поэтому внешнее сопротивление обычно не требуется для ограничения уровня возбуждения.

Эрик Виттоз был разработчиком аналоговых интегральных схем, который привнес в швейцарскую часовую промышленность методы кварцевого генератора нановатт.

В рамках этого исследования он опубликовал статью о том, что «слишком высокий коэффициент усиления в усилителе предотвратит колебания кристалла / схемы», где математика показывает графики корневого вектора при высоких крутизнах, пересекающих ось фазового сдвига ZERO, подавляя нарастание схемы. резонансная энергия.

И вот смысл этого ответа: высокая крутизна в модели слабого сигнала может быть описана как НИЗКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. А управляющие конденсаторы с низким сопротивлением (например, ваши 10 пФ) создают небольшие фазовые сдвиги.

Без фазового сдвига ровно на 360 градусов (или 0, или 720) и чистого коэффициента усиления по контуру начальные незначительные колебания кристалла не будут накапливаться из-за высокой добротности.

Таким образом, должна быть непрерывная область частот с чистым коэффициентом усиления контура.

Контур постоянно регулирует частоту, так как колпачки PI меняются в зависимости от температуры, а токоограничивающий резистор (или крутизна) также изменяется в зависимости от температуры.

Почему? потому что внешний фазовый сдвиг тоже меняется.

Популярные схемы принимают широкий диапазон внешнего сопротивления (и, следовательно, популярны) из-за этой непрерывной области частот с чистым коэффициентом усиления контура.

В вашу задачу как разработчика входит определение размеров усилителя Pout и Zout, внешних конденсаторов и внешнего дискретного последовательного резистора (если есть) для обеспечения надежной генерации при любых условиях.

Обратите внимание, что "Zout" усилителя является частью вашего задания на проектирование. Этот Zout должен успешно взаимодействовать с шапкой PI.

Скорее всего, «размер» (W/L) транзисторов усилителя широко варьируется от разработчика к разработчику, а также зависит от диапазона VDD.