Selezione del caricamento dei valori dei condensatori per il cristallo a 32 kHz

Ho bisogno di aiuto per selezionare i condensatori di caricamento per un XTAL a 32.768 kHz in un progetto su cui sto lavorando.

Questo è un po 'lungo, ma le grandi domande sono: è fondamentale ottenere i valori del tappo di carico corretti e quanto sarà importante la capacità parassitaria delle tracce e dei cavi nel determinarlo.

Il mio dispositivo utilizza un SoC TI CC1111 ed è basato su un progetto di riferimento per un dongle USB disponibile da TI. Il CC1111 richiede sia un oscillatore ad alta velocità (HS) a 48 MHz sia un oscillatore a bassa velocità (LS) a 32 kHz. Il design di riferimento utilizza un cristallo per l'oscillatore HS e un circuito RC interno per l'oscillatore LS. Tuttavia, CC11111 può essere collegato a un oscillatore a cristallo a 32,768 kHz per una migliore precisione, di cui ho bisogno.

Il foglio dati CC1111 fornisce una formula (p. 36) per la scelta dei valori per i condensatori di carico. Come controllo di integrità, ho usato quella formula per calcolare i valori per i tappi utilizzati con il xtal a 48 MHz nel progetto di riferimento. Ho pensato che avrei dovuto ottenere approssimativamente gli stessi numeri che sono effettivamente utilizzati nel design. Ma i valori di capacità che mi vengono in mente non corrispondono a quelli usati da TI, quindi sono un po 'preoccupato.

I dettagli della mia analisi sono di seguito, ma in sintesi, la scheda tecnica del cristallo a 48 MHz afferma che richiede una capacità di carico di 18 pF. I due condensatori di carico utilizzati nel progetto di riferimento sono entrambi 22 pF. La formula del foglio dati CC1111 per mettere in relazione la capacità di carico vista attraverso i conduttori dell'xtal con i valori per i condensatori di carico ( e ) è $C_a$ $C_b$

C_{l o a d} = \frac{1}{\frac{1}{C_{a}} + \frac{1}{C_{b}}} + C_{p a r a s i t i c}

$C_{load} = \frac{1}{\frac{1}{C_a} + \frac{1}{C_b}} + C_{parasitic}$

Inserendo 18 pF per e 22 pF per e , ciò significa che deve essere 7 pF. Tuttavia, il foglio dati dice che questo valore è in genere 2,5 pF. Se avessi usato questo consiglio, sarei finito con = = 31 pF, e non 22 pF come viene effettivamente utilizzato nel progetto di riferimento. $C_{load}$ $C_a$ $C_b$ $C_{parasitic}$ $C_a$ $C_b$

In alternativa, secondo la nota applicativa TI AN100 ,

C_{l o a d} = \frac{C_{1}^{'} \times C_{2}^{'}}{C_{1}^{'} + C_{2}^{'}},

$C_{load} = \frac{C_1' \times C_2'}{C_1' + C_2'},$

dove " è la somma della capacità in , la capacità parassita nella traccia PCB e la capacità nel terminale del cristallo. La somma di queste ultime due parti sarà tipicamente nell'intervallo 2 - 8 pF. " $C_x'$ $C_x$

Se = = 22 pF, ottieni = 2 * 18 pF = 36 pF, in modo che la capacità parassita associata a ogni traccia + terminale sia 36pF - 22pF = 14 pF, che è al di fuori dell'intervallo 2 - 8 pF citato in AN100. $C_1$ $C_2$ $C_1'$

Sto chiedendo tutto questo perché sono preoccupato che se scelgo i valori sbagliati del condensatore di carico, o non funzionerà, o la frequenza sarà errata. Quanto sono sensibili questi tipi di cristalli ai valori del tappo di carico?

Dettagli del mio investigatore:

Dal Partlist.rep (BOM) incluso nel file zip del progetto di riferimento, il cristallo (X2) e i due condensatori di carico a cui è collegato (C203, C214) sono:

X2   Crystal, ceramic SMD    4x2.5mX_48.000/20/35/20/18
C203 Capacitor 0402 C_22P_0402_NP0_J_50
C214 Capacitor 0402 C_22P_0402_NP0_J_50

Quindi i condensatori di carico hanno ciascuno un valore di 22 pF. Il cristallo, basato su una risposta a una precedente domanda del forum TI E2E per un dispositivo correlato, è questa parte:

Name: X_48.000/20/35/20/18
Descr.: Crystal, ceramic SMD, 4x2.5mm, +/-20ppm 48MHZ
Manf.: Abracon
Part #:  ABM8-48.000MHz-B2-T
Supplier: Mouser
Ordering Code: 815-ABM8-48-B2-T

Il valore di 18 pF proviene dalla scheda tecnica per ABM8-48.000MHz-B2-T .

Grazie per l'aiuto.

microcontroller capacitor crystal

— David
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Risposte:

Molto probabilmente i valori di 22pF utilizzati da TI sono un compromesso (costo / disponibilità). Il cristallo può generalmente tollerare alcuni pF più o meno il valore calcolato. Immagino che alcuni test empirici abbiano preso la decisione di utilizzare 22pF invece di un valore più vicino, o forse 22pF era già sulla distinta base.

Alla fine, anche un calcolo come quello che si trova nel foglio dati si basa sulla "stima" della capacità parassita. Devi testare qualunque valore di condensatore ti venga in mente e assicurarti che funzioni nel tuo prodotto finale.

Inoltre, la pagina 20 del foglio dati C1111 a cui si è collegati dice che 12-18pF è la gamma da usare per il cristallo 32.768kHz. Il tuo chilometraggio può variare.

La cosa più importante da tenere a mente è che il condensatore dovrebbe avere una stretta tolleranza con un materiale dielettrico adeguato (uno che non è altamente dipendente dalla temperatura, come NP0 / C0G).

Ulteriori letture: ecco un link a una buona spiegazione dell'argomento di come interagiscono cristalli e condensatori.

— Adam Lawrence
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Grazie. Loro scheda tecnica raccomanda il cristallo Epson MC-306 32.768 kHz e ho intenzione di ordinare la versione 12.5 pF. Grazie per la nota tecnica, la leggerò. Da allora ho anche trovato questo, da TI: ti.com/lit/an/slaa322b/slaa322b.pdf . Quindi, se non sbaglio, riprenderò il mio prototipo di PCB da casa favolosa, vedrò se funziona e, in caso contrario, ripeterà? Sembra costoso. : ^ (

— David

Un'altra domanda: è +/- 2% OK? La scheda tecnica raccomanda la serie "Murata GRM1555C". Posso trovarli in tolleranze del +/- 2%, ma nessuno sembra avere la varietà del +/- 1% (cioè GRM1555C1E200FA01, dove la 'F' è per la tolleranza dell'1% e una 'G' indicherebbe una tolleranza del 2%) .

— David,

Qualcosa di meglio del 5% di tolleranza sarà utile.

— Adam Lawrence,

usare NP0 ... o non usare NP0?

— hassan789,

Non userei NP0 in questa applicazione.

— Adam Lawrence,

Se stai cercando di mantenere un tempo preciso per un lungo periodo, probabilmente dovrai calibrare il sistema in qualche modo, poiché l'accuratezza iniziale di 20 ppm tipicamente specificata per questi cristalli ti darà 15 minuti di errore in un anno prima anche guardando condensatori, crystal tempco (enorme) e drift di cristallo. Alcuni processori PIC dispongono di un sistema di calibrazione in grado di compensare alcune centinaia di ppm di errore, ma è necessario calibrarlo al momento della produzione o al volo durante l'uso. La compensazione della temperatura di funzionamento del cristallo è fondamentale se il sistema funzionerà a più di qualche grado da 25 ° C. In generale, la stabilità dei condensatori è generalmente più importante della tolleranza iniziale.

— Julia Truchsess
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