Perché i condensatori di cristallo sono considerati in serie?

Sto cercando di scegliere un cristallo e condensatori per il clock di un MCU e, da quello che ho capito, il mio cristallo ha bisogno di una capacità di carico di 30pF (è specificato nel foglio dati ) per funzionare correttamente. Il modo in cui avrei fatto questo sarebbe:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Tuttavia, tutti mi stanno dicendo che dovrei farlo:

^{simula questo circuito}

Perché i condensatori sono, in qualche modo, in serie. Questo non ha senso per me: sto usando un altro condensatore e il condensatore sul lato destro è vicino all'uscita a bassa impedenza dell'inverter, quindi non lo vedo in serie. Inoltre, il mio design utilizza un condensatore in meno. Cosa mi sto perdendo?

Esistono due aspetti della capacità di carico. Ciò che il cristallo vede è la capacità tra le due estremità del cristallo. Tipicamente, il circuito dell'oscillatore avrà bisogno di una certa capacità tra un'estremità del cristallo e il terreno, ma questo ha meno importanza per il cristallo.

Se le due estremità del cristallo si muovessero su e giù in perfetto modo anti-fase e due condensatori di carico fossero dimensionati in base al rapporto inverso delle ampiezze, la corrente che scorre da un condensatore a terra corrisponderebbe esattamente alla corrente che scorre da terra a l'altro condensatore, in modo tale che se una terra fosse scollegata ma lasciasse i condensatori collegati tra loro, il funzionamento del circuito sarebbe inalterato. In quella situazione sarebbe ovvio il motivo per cui il valore in serie della capacità avrebbe importanza, poiché l'unica capacità interessata sarebbe due condensatori, in serie.

In pratica, le due estremità del cristallo non oscillano di 180 gradi e i condensatori non sono dimensionati per adattarsi al rapporto di ampiezza, quindi c'è una piccola corrente di terra che scorre nei tappi, ma generalmente è solo una piccola porzione del corrente di protezione totale, quindi il comportamento dominante è ancora quello delle due protezioni in serie.

La rotazione di questo schema mostra perché è possibile considerare la capacità attraverso il cristallo da interpretare come in serie. Il carico viene misurato attraverso l'XTAL e non rispetto al suolo

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

È vero che il design standard dell'oscillatore Pierce è presente nelle antiche schede / schede tecniche utilizza condensatori uguali:

Ma questa non è davvero l'unica cosa che potrebbe funzionare , anche se vedo che il cappuccio sinistro piuttosto che quello destro è quello lasciato fuori:

Non stai dicendo quale frequenza stai prendendo di mira ... o quale ampli / chip stai usando. Tutto ciò che conta se si desidera progettare il proprio anziché seguire alcuni consigli del libro di cucina.

Anche gli approcci di progettazione molto più semplici devono considerare almeno le capacità di ingresso e uscita dell'amplificatore utilizzato:

Se metti un cappuccio grande solo su un lato di xtal, ma sull'altro lato hai solo un limite molto più piccolo della capacità di ingresso (o uscita) del tuo amplificatore, quale sarà la capacità totale (serie)? Sarà probabilmente piuttosto imprevedibile e dominato dalla piccola capacità.

Isolare l'xtal dal vedere piccole capacità è un modo per migliorare la sua stabilità (anche se quest'ultimo schema è raramente usato, per quanto ne so).

E tornando alla prima nota:

Il design dell'oscillatore è al massimo un'arte imperfetta. Dovrebbero essere utilizzate combinazioni di tecniche di progettazione teorica e sperimentale.

Quindi prova il tuo [prima in una sim preferibilmente] e poi sulla scheda reale e vedi se vale la pena provare a salvare quel limite.

E poiché le caratteristiche dell'amplificatore / driver contano, nota anche questo piccolo consiglio da un appnote ST :

Molti produttori di cristalli possono verificare la compatibilità dell'accoppiamento microcontrollore / cristallo su richiesta. Se l'accoppiamento è giudicato valido, possono fornire un rapporto comprendente i valori CL1 e CL2 raccomandati nonché la misurazione della resistenza negativa dell'oscillatore.

Infine, uno squilibrio tra questi tappi viene talvolta introdotto di proposito allo scopo di aumentare la tensione di uscita dell'oscillatore (per questo è necessario rimpicciolirne uno più piccolo), ma ciò aumenta anche la dissipazione di potenza sull'xtal:

Non trovo utile considerare i condensatori a cristallo come collegati in serie. Entrambi svolgono lavori simili ma agiscono in diverse parti del circuito. Il primo condensatore (e il più importante) è sul ritorno di ritorno all'ingresso dell'inverter: -

La parte sinistra della figura sopra mostra un circuito equivalente di un cristallo da 10 MHz insieme a un condensatore da 20pF (C3) a terra. V1 è la fonte trainante e sulla destra ho tracciato la frequenza e la risposta di fase. Nota anche la presenza di R2 (che spiegherò più avanti).

A poco più di 10 MHz l'angolo di fase del circuito è di quasi 180 gradi e questo è importante perché il cristallo è guidato da un inverter. L'inverter produce uno sfasamento di 180 gradi (noto anche come inversione) e il cristallo e i suoi condensatori esterni producono altri 180 gradi, quindi 360 gradi e feedback positivo.

Anche per mantenere l'oscillazione il guadagno deve essere maggiore di 1. Per quanto riguarda l'immagine sopra, a poco più di 10 MHz il circuito produce guadagno, cioè H (s) è maggiore di 1 e si verificherà un'oscillazione se la rete avesse prodotto uno sfasamento di 180 gradi .

Perché aggiungere il condensatore aggiuntivo sul lato motore del cristallo?

Ciò non solo impedisce al cristallo di essere guidato troppo forte, ma produce alcuni gradi extra di sfasamento e consente al circuito di oscillare. Notare il resistore da 100 ohm etichettato R2 - limita la corrente nel cristallo ma, a questo punto, il condensatore aggiuntivo a massa aggiungerà lo sfasamento necessario.

Molti circuiti oscillatori a cristallo non mostrano questo resistore in serie perché utilizza l'impedenza di uscita diversa da zero dell'inverter. Se avessi un inverter relativamente potente (in grado di pilotare molte decine di mA), allora è necessario un resistore e pensarci: chi si attaccherà 20pF sull'uscita grezza di un inverter senza considerare un resistore in serie?

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