Различные (15 и 10 пФ) нагрузочные конденсаторы на кварцевом кристалле 32,768 Гц

Вопрос в том, станет ли лучше?

Мне кажется, что это будет немного лучше, поскольку уменьшит ошибку между двумя тактовыми импульсами — это делают конденсаторы — они регулируют фазовую характеристику фильтра, сформированного вокруг кристалла, выходное сопротивление кремния и конденсатора. на выходе. Я думаю, что топология генератора Пирса здесь такая:

Но это в равной степени применимо и к другим топологиям кварцевых генераторов.

C1 и R1 добавляют немного дополнительного фазового сдвига, который необходим, чтобы заставить схему колебаться, потому что без них идеальный инвертирующий затвор не может производить дополнительные несколько градусов, и он не будет колебаться. Это происходит время от времени, и связанный вопрос ниже связан.

Конечно, даже без R1 в качестве фактического компонента внутренний выходной импеданс затвора служит в качестве R1. Обратите внимание, что для генератора Пирса R может быть внутри «чипа» или фактически присутствовать на печатной плате.

Оказалось, что на кристалле полностью отсутствуют конденсаторы.

На входе затвора всегда будет емкость, которая составляет примерно 5 пФ, а небольшая задержка в инверторе (всего несколько наносекунд) может привести к дополнительному фазовому сдвигу, необходимому для возбуждения цепи. Однако некоторые схемы без выходной емкости никогда не будут генерировать.

Каковы последствия припайки различных конденсаторов к кристаллу кварца?

Вам были продемонстрированы различные емкости, когда настоящие конденсаторы не были установлены. Входной конденсатор мог иметь емкость 5 пФ, а задержка инвертирующего затвора приводит к дополнительному изменению фазы, необходимому для того, чтобы генератор колебался. Это немного хит и промах, как это, но может работать.

Вот изображение симуляции, которую я сделал некоторое время назад, которая показывает график Боде кварца 10 МГц и двух конденсаторов. Конденсаторы на входе и выходе затвора менялись одновременно, как показано. Вся ось X покрывала около 100 кГц, так что это дает представление о том, как мало вы можете сдвинуть кварцевый генератор в реальности:

Если бы я изменил конденсатор между 20 пФ и 10 пФ, вы могли бы увидеть частотный диапазон, в котором передаточная функция проходит через 180 градусов. Чуть ниже 10 пФ есть точка, в которой фазовый сдвиг никогда не достигает 180 градусов, и единственный способ, при котором схема будет колебаться, — это когда инвертирующий затвор работает с достаточным дополнительным фазовым сдвигом сверх ожидаемых 180 градусов.

Схема не будет генерировать, если инвертор должен работать на частоте выше антирезонансного узла, чтобы произвести требуемый дополнительный фазовый сдвиг.

Изображение выше взято из моего ответа здесь .

Вот совершенно новый график фазового сдвига, когда изменяется только выходной конденсатор (выходной конденсатор обычно связан с выходом инвертора):

Он будет колебаться с 20 пФ, 10 пФ и примерно с 5 пФ, но ниже, и теоретически он не будет колебаться.

Номинальная частота каждого XTAL определяется производителем кристалла и определяется при определенной «нагрузке» кристалла. Если нагрузка разная, частота колебаний тоже будет разной. Этот эффект называется « вытягиванием кристалла », и Энди Ака хорошо это продемонстрировал. Типичная тяговая способность составляет около +-100 ppm для 5 пФ при полном отклонении нагрузки.

Для практических целей ваши экспериментальные результаты указывают на следующее:

1. без колпачков (и только нагрузка представлена ​​паразитами микросхемы и трассировки платы) у вас есть +115 ppm (на 5 минут быстрее за месяц, 43200 минут).

2. с крышками 15 пФ у вас есть -15 частей на миллион (4 минуты более 260 000 минут).

3. Исходя из этого и линейной интерполяции (в первом приближении), вам нужны конденсаторы на 13,2 пФ, чтобы получить 0 ppm. (Вы можете сделать это с 10 пФ плюс 3 пФ сверху или просто заказать два конденсатора по 13 пФ в Digi-Key + доставка 7,99 долларов США)

ПРИМЕЧАНИЕ: неравномерное распределение нагрузки приведет к изменению амплитуды сигнала на концах кристалла, что может быть плохой идеей.

ПРИМЕЧАНИЕ 2: 15 частей на миллион на самом деле очень хороший результат, отличный результат, поскольку обычно механический допуск составляет около 20-50 частей на миллион. Более того, частота довольно сильно зависит от температуры окружающей среды, поэтому ваш результат будет варьироваться в зависимости от погоды и времени года.

Чтобы получить лучшую точность, люди помещают генераторы (с кристаллами) в термостабилизированные корпуса. В качестве альтернативы также работает периодическая корректировка (раз в неделю) через службы времени в Интернете, как это делается сегодня на всех ПК.

Эти две крышки вместе с кристаллом образуют резонатор и делитель напряжения. Очевидно, что генератор все еще работает с установленными 10 пФ и 15 пФ. Что вы знаете, так это соотношение 10/15 или 15/10 (в зависимости от того, какая крышка находится на усилителе Vout и какая на усилителе Vin) по-прежнему не ухудшает запас усиления контура обратной связи. Вы можете поменять местами 2 позиции и определить, колеблется ли осциллятор (отслеживает время) и правильно ли отсчитывает время.

Да, вы можете сделать это лучше (сохранить лучшее время). Припаяйте заглушку на 10 пФ; уловка - это два изолированных провода, скрученных вместе на 1/2 дюйма, 1 дюйм или 2 дюйма.

Либо возьмите частотомер и установите частоту на 1 часть из 300 000 (10-секундная развертка) для точности 10 секунд в месяц, либо продолжайте экспериментировать с уловкой в ​​течение нескольких месяцев.

В статье, написанной несколько десятилетий назад парнем Виттозом, известным в кругах IC своей работой над кварцевыми генераторами для швейцарской часовой промышленности, обсуждалось, как изменения коэффициента усиления усилителя (вариации крутизны) подвергают риску возможность генерации. Это озадачило меня. В документе Эрика Виттоза нарисована корневая точка для вариаций усиления, показывающая, как при очень низком и очень высоком усилении поведение петли переходит из левой плоскости (с необходимым фазовым сдвигом) в правую плоскость (больше не обеспечивая адекватного фазового сдвига). Для умеренного усиления (крутизны) кварцевый генератор будет колебаться.

Пару лет назад, экспериментируя с прототипом инструмента для моделирования магнитной фазы, я понял, что Rout (как сказал Энди) является ключом к удовлетворению критериев Баркхаузена ровно (точно) N * 360 градусов. А в статье Виттоза случай очень высокой крутизны — огромный GM, управляющий C — означал, что полоса пропускания была очень большой, постоянная времени была очень быстрой, и на частоте кристалла генерировался небольшой фазовый сдвиг.

Я смоделировал эту ситуацию для Q в один триллион (10 ^ 12) и увеличил разрешение в микрогерцах вокруг последовательно-параллельных резонансов. Rout (или gm, или крутизна) действительно является частью состояния петли Баркгаузена из-за взаимодействия со всеми емкостями (включая диоды ESD и емкость штырь-вывод в выводных рамах ИС) на усилителе Vout.

Вопрос в том, будет ли лучше?

5 минут в месяц - это около 100 частей на миллион. Эти кристаллы обычно рассчитаны на 20 частей на миллион и, как правило, в пределах 5 частей на миллион при комнатной температуре. Так что вы можете сделать лучше.

Возможность вытягивания этих кристаллов ограничена — это хорошо. 20 частей на миллион является типичным. в вашем случае это выглядит как 60ppm.

Простой способ заставить его работать здесь - это трюковой конденсатор. Легко сделать. Прежде чем идти туда, я бы сначала уменьшил конденсатор в пределах 20 частей на миллион, а также сделал бы его на более быстрой стороне (-> меньшая емкость нагрузки).

Каковы последствия припайки различных конденсаторов к кристаллу кварца?

это сделало бы это медленнее. Не то, что ты хочешь сейчас.