Dlaczego kondensatory kryształowe uważa się za szeregowe?

Próbuję wybrać kryształ i kondensatory do taktowania MCU, a z tego, co zrozumiałem, mój kryształ potrzebuje pojemności obciążenia 30 pF (jest to określone w arkuszu danych ), aby poprawnie działać. Sposób, w jaki to zrobiłbym, to:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Jednak wszyscy mówią mi, że powinienem to zrobić:

^{zasymuluj ten obwód}

Ponieważ kondensatory są w jakiś sposób połączone szeregowo. Dla mnie to nie ma sensu: używam jeszcze jednego kondensatora, a kondensator po prawej stronie znajduje się obok wyjścia o niskiej impedancji falownika, więc po prostu nie widzę go szeregowo. Ponadto mój projekt wykorzystuje jeden kondensator mniej. czego mi brakuje?

Istnieją dwa aspekty pojemności obciążenia. Kryształ widzi pojemność między dwoma końcami kryształu. Zazwyczaj obwód oscylatora potrzebuje pewnej pojemności między jednym końcem kryształu a ziemią, ale ma to mniejsze znaczenie dla kryształu.

Gdyby dwa końce kryształu poruszały się w górę i w dół w sposób doskonale przeciwfazowy, a dwa kondensatory obciążające były zwymiarowane zgodnie z odwrotnym stosunkiem amplitud, wówczas prąd płynący z jednego kondensatora do ziemi dokładnie odpowiadałby prądowi płynącemu z ziemi do drugi kondensator, taki, że jeśli jeden odłączy uziemienie, ale pozostawi kondensatory połączone ze sobą, działanie obwodu nie ulegnie zmianie. W takiej sytuacji byłoby oczywiste, dlaczego wartość szeregowa pojemności miałaby mieć znaczenie, ponieważ jedyną wymaganą pojemnością byłyby dwa kondensatory połączone szeregowo.

W praktyce dwa końce kryształu nie oscylują dość dokładnie o 180 stopni, a kondensatory nie są dopasowane do stosunku amplitudy, więc w pokrywach płynie niewielki prąd uziemienia, ale generalnie jest to tylko niewielka część całkowity prąd maksymalny, więc dominującym zachowaniem jest nadal zachowanie dwóch maksymalnych wartości w szeregu.

Obracanie tego schematu pokazuje, dlaczego można rozważyć pojemność w krysztale jako interpretowaną szeregowo. Obciążenie jest mierzone w poprzek XTAL, a nie względem ziemi

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Prawdą jest, że standardowy projekt oscylatora Pierce'a, który można znaleźć w starożytnych notatkach / arkuszach danych, wykorzystuje równe kondensatory:

Ale to naprawdę nie jedyna rzecz, która mogłaby zadziałać , chociaż widzę, że lewą, a nie prawą, czapkę pominięto:

Nie mówisz, jaką częstotliwość wybierasz ... ani jakiego wzmacniacza / układu używasz. Wszystko to ma znaczenie, jeśli chcesz zaprojektować własne, a nie postępować zgodnie z zaleceniami dotyczącymi książek kucharskich.

Nawet znacznie prostsze podejścia projektowe muszą uwzględniać przynajmniej pojemności wejściowe i wyjściowe zastosowanego wzmacniacza:

Jeśli umieścisz dużą czapkę tylko po jednej stronie xtal, ale po drugiej stronie masz tylko znacznie mniejszą czapkę pojemności wejściowej (lub wyjściowej) wzmacniacza, jaka będzie całkowita (szeregowa) pojemność? Prawdopodobnie będzie raczej nieprzewidywalny i zdominowany przez małą pojemność.

Izolowanie xtal od dostrzegania małych pojemności jest jednym ze sposobów na poprawę jego stabilności (chociaż ten ostatni schemat jest rzadko używany, o ile mi wiadomo).

I wracając do pierwszej aplikacji:

Konstrukcja oscylatora jest w najlepszym razie sztuką niedoskonałą. Należy zastosować kombinacje teoretycznych i eksperymentalnych technik projektowania.

Wypróbuj swoją [najlepiej na karcie SIM], a następnie na prawdziwej planszy i sprawdź, czy warto spróbować zapisać tę czapkę.

A ponieważ znaczenie mają cechy wzmacniacza / sterownika, zwróć również uwagę na kilka wskazówek z przypisu ST :

Wielu producentów kryształów może na żądanie sprawdzić zgodność mikrokontrolera / parowania kryształów. Jeśli parowanie zostanie uznane za prawidłowe, mogą dostarczyć raport zawierający zalecane wartości CL1 i CL2, a także pomiar rezystancji ujemnej oscylatora.

Wreszcie, czasami celowo wprowadza się nierównowagę między tymi pułapkami w celu zwiększenia napięcia wyjściowego oscylatora (w tym celu należy zmniejszyć lewy jeden), ale zwiększa to również rozpraszanie mocy na Xtal:

Uważam, że nie jest pomocne traktować kryształowe kondensatory jako połączone szeregowo. Obaj wykonują podobne prace, ale działają w różnych częściach obwodu. Pierwszy kondensator (i najważniejszy) jest na powrocie powrotnym do wejścia falownika: -

Lewa część powyższego obrazu pokazuje równoważny obwód kryształu 10 MHz wraz z kondensatorem 20pF (C3) do masy. V1 jest źródłem napędzającym, a po prawej stronie nakreśliłem odpowiedź częstotliwościową i fazową. Zwróć też uwagę na obecność R2 (którą wyjaśnię poniżej).

Przy nieco ponad 10 MHz kąt fazowy obwodu wynosi bardzo blisko 180 stopni, co jest ważne, ponieważ kryształ jest napędzany przez falownik. Falownik wytwarza przesunięcie fazowe o 180 stopni (inaczej inwersję), a kryształ i jego zewnętrzne kondensatory wytwarzają kolejne 180 stopni, a więc 360 stopni i dodatnie sprzężenie zwrotne.

Również w celu utrzymania oscylacji wzmocnienie musi być większe niż 1. W odniesieniu do powyższego obrazu, przy bardzo nieznacznie powyżej 10 MHz obwód wytwarza wzmocnienie, tj. H (s) jest większy niż 1 i oscylacja wystąpi, jeśli sieć wytworzyła przesunięcie fazowe o 180 stopni .

Po co dodawać dodatkowy kondensator po stronie napędu kryształu?

To nie tylko zapobiega zbyt mocnemu napędzaniu kryształu, ale powoduje kilka dodatkowych stopni przesunięcia fazowego i umożliwia oscylację obwodu. Zwróć uwagę na rezystor 100 omów oznaczony R2 - ogranicza prąd do kryształu, ale dodatkowy kondensator do uziemienia w tym punkcie doda niezbędne przesunięcie fazowe.

Wiele kryształowych obwodów oscylatora nie pokazuje tego rezystora szeregowego, ponieważ wykorzystuje niezerową impedancję wyjściową falownika. Jeśli posiadasz stosunkowo mocny falownik (zdolny do sterowania wieloma dziesiątkami mA), potrzebny jest rezystor i zastanów się - kto zamierza nakleić 20pF na surową moc wyjściową falownika bez rozważania rezystora szeregowego?

Powiązane pytanie: Projektowanie oscylatora