Quarze und Oszillatoren Crystal Reactance f s Bild 3: Reaktanzverlauf eines Quarzes über der Frequenz (f s = Serienresonanzfrequenz, f a = Antiresonanzfrequenz Die parasitäre kapazitive Kopplung und die Induktivität von Leiterzügen auf Leiterplatten beeinflussen Schwingfrequenz und Oszillatorspannung. Wenn PCB- und Halbleiter-Geometrien immer kleiner werden, wird besonders das Verständnis und die Kontrolle von kapazif a sehr niedrigem ESR und guter Temperaturstabilität. Die mathematische Demonstration des Starts einer Oszillatorschaltung ist aufgrund nichtlinearer Eigenschaften des Systems wie Verstärkung und Quarzimpedanz sehr schwierig. Eine umfassende Analyse eines MCU-Designs wird normalerweise nicht durchgeführt. Ein externes Element muss effektiv mit der Schwingung beginnen, indem eine zeitvariable Spannung über dem Kristall erscheint. Dies kann auch durch Einspeisung von Stromversorgungsrauschen erfolgen. Der Rückkopplungswiderstand R f dient dazu, den Eingang des NAND-Gatters auf halber Betriebsspannung vorgespannt zu halten. R f muss so dimensioniert sein, dass eine angemessene Rückkopplung möglich ist, ohne dass die Schaltung übermäßig belastet wird. Hersteller von Mikrocontrollern schlagen normalerweise einen Bereich akzeptabler Werte vor, normaler weise zwischen 100 kOhm und 22 MOhm. Für Nieder frequenzschaltungen ist die Kris tallimpedanz relativ hoch und der Wert für R f muss auch hoch sein (10 MOhm für 32 kHz). Für höhere Frequenzen muss R f niedriger sein (100 kOhm für 10...20 MHz). Die Spannungen bei EXTAL und XTAL sind normalerweise verzerrte Sinuswellen, die ungefähr 180° phasenverschoben sind. Diese Sinus wellen schwingen symmetrisch um die halbe Versorgungsspannung. Das NAND-Gate gerät in die Sättigung, daher die Verzerrungen. Die Aufmachergrafik zeigt typische Wellenformen bei XTAL (unten) und EXTAL (Frequenz = 4 MHz, Mikroprozessor = M68HC11E9). Beachten Sie die Amplituden- und Phasendifferenzen. Der STOP-Pin des NAND- Gatters in Bild 1 wird von der CPU aktiviert, um den Oszillator für Ultra-Low-Power-Betrieb zu deaktivieren. Im Normalbetrieb wirkt das NAND-Gatter als kleiner signalinvertierender Verstärker, der im linearen Modus arbeitet (aber selbst nicht perfekt linear ist). Für die digitale Analyse wird das Gatter wie in Bild 4 gezeigt modelliert und dabei, um die Funktionsweise der Oszillatorschaltung vollständig zu verstehen, die Kleinsignal-Ersatzschaltung nach Bild 5 verwendet. Das Modell muss wie in Bild 6 dargestellt analysiert werden, a) digitale Darstellung, b) Kleinsignaldarstellung. Damit die Oszillatorschaltung stabil schwingt, muss die absolute Verstärkung des Verstärkers 1 sein. Im eingeschwungenen Zustand muss die Schleifenverstärkung 1 sein. Die richtige Wahl von C x und C y ist für den Start des Oszillators und die stationäre Verhältnisse von größter Bedeutung. Normalerweise wird C x gleich oder etwas kleiner als C y gewählt, in die Praxis führt Tabelle 1 anhand eines typischen 4,9-MHz-Quarzes in einer M68HC11-Treiberschaltung an 5 V. Verstärkung und Drive Level Auch die Verstärkung ist kritisch beim Starten eines Oszillators. Sie muss groß genug sein, um das Netzwerk „anzutreiben“, aber wenn sie zu groß ist, kann es schädliche Auswirkungen haben wie übermäßigen Stromverbrauch, hohe HF-Emissionen und am schlimmsten einen Oszillator, der nicht startet. Es ist nicht einfach, einen Verstärker für den Oszillatorbetrieb von 1 bis 10 MHz zu optimieren, während das Rauschen und der Stromverbrauch auf einem Minimum bleiben. Ein ziemlich einfaches Experiment kann durchgeführt werden, um die tatsächliche Verstärkung zu bestimmen. Ziehen Sie den EXTAL-Stift von der Leiterplatte und speisen Sie kapazitiv eine Sinuswelle mit 25...50 mV Spitze-Spitze mit der Nennfrequenz an EXTAL ein. Messen Sie den Spannungspegel am XTAL-Pin, wenn die Platine und die eingesetzten Komponenten mit Strom versorgt werden. Das Verhältnis Uout/Uin ergibt die Verstärkung des internen Verstärkers. Wenn sie unter 1,5 liegt, ist dies eher gut als schlecht. Das Übersteuern über einen längeren Zeitraum kann einen Quarz physisch beschädigen. Typische Betriebsleistungen für Quarze (Drive Levels) liegen zwischen 1 µW (für kleine 32-kHz-Stimmgabelquarze) bis 5 mW (für HF-Quarze mit einem kreisförmigen AT-Schnitt). Einfluss parasitärer Effekte verstehen a) Digital representation b) Small signal representation Bild 4: Modell des CMOS Logic Gates EXTAL 26 hf-praxis 10/2020 Cin Ideal Inverting Amp f Rout Cin Cout XTAL
TEST CABLES To 65GHz Reliability You Can Trust 6 Month Product Guarantee Operating temperature up to 105°C Performance Qualified to 20,000 Flexures* *Varies by model. See model datasheets for details. (718) 934-4500 sales@minicircuits.com www.minicircuits.com 611 Rev A__P DISTRIBUTORS 611_RevOrig_P_Final_TestCables.indd 1 11/21/19 3:32 PM
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