Warum werden Kristallkondensatoren als in Reihe geschaltet betrachtet?

Ich versuche, einen Quarz und Kondensatoren für die Taktung einer MCU auszuwählen, und nach meinem Verständnis benötigt mein Quarz eine Ladekapazität von 30 pF (siehe Datenblatt ), um ordnungsgemäß zu funktionieren. So hätte ich das gemacht:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Jeder sagt mir jedoch, dass ich das tun soll:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Weil die Kondensatoren irgendwie in Serie sind. Das macht für mich keinen Sinn: Ich verwende einen weiteren Kondensator, und der Kondensator auf der rechten Seite befindet sich neben dem niederohmigen Ausgang des Wechselrichters, sodass ich ihn nur nicht in Reihe sehe. Außerdem verwendet mein Design einen Kondensator weniger. Was vermisse ich?

Es gibt zwei Aspekte der Lastkapazität. Was der Kristall sieht, ist die Kapazität zwischen den beiden Enden des Kristalls. Typischerweise benötigt die Oszillatorschaltung eine gewisse Kapazität zwischen einem Ende des Kristalls und Masse, aber das ist für den Kristall von geringerer Bedeutung.

Wenn sich die beiden Enden des Kristalls in perfekter gegenphasiger Weise auf und ab bewegen würden und zwei Lastkondensatoren gemäß dem umgekehrten Verhältnis der Amplituden dimensioniert würden, würde der von einem Kondensator in die Erde fließende Strom genau dem von der Erde in die Erde fließenden Strom entsprechen der andere Kondensator, so dass, wenn man Masse trennt, aber die Kondensatoren miteinander verbunden lässt, der Schaltungsbetrieb nicht beeinflusst wird. In dieser Situation wäre es offensichtlich, warum der Serienwert der Kapazität eine Rolle spielen würde, da die einzige beteiligte Kapazität zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren wären.

In der Praxis schwingen die beiden Enden des Kristalls nicht ganz um 180 Grad auseinander, und die Kondensatoren sind nicht so dimensioniert, dass sie dem Amplitudenverhältnis entsprechen. In den Kappen fließt also ein kleiner Erdstrom, aber im Allgemeinen ist es nur ein kleiner Teil des total cap current, so dass das dominierende Verhalten immer noch das der beiden in Serie geschalteten Caps ist.

Das Drehen dieses Schemas zeigt, warum Sie die Kapazität über dem Kristall als seriell interpretieren können. Die Last wird über den XTAL und nicht relativ zum Boden gemessen

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Es ist richtig, dass das Standard- Pierce-Oszillator- Design, das Sie in alten Appnotes / Datenblättern finden, gleiche Kondensatoren verwendet:

Aber das ist in der Tat nicht das Einzige, was funktionieren könnte , obwohl ich sehe, dass die linke und nicht die rechte Kappe weggelassen wurde:

Sie sagen nicht, auf welche Frequenz Sie zielen oder welchen Verstärker / Chip Sie verwenden. All dies ist wichtig, wenn Sie Ihr eigenes Kochbuch entwerfen möchten, anstatt einige Kochbuchempfehlungen zu befolgen.

Noch viel einfachere Konstruktionsansätze müssen mindestens die Eingangs- und Ausgangskapazitäten des verwendeten Verstärkers berücksichtigen:

Wenn Sie eine große Kappe nur auf eine Seite von xtal setzen, aber auf der anderen Seite haben Sie nur eine viel kleinere Kappe der Eingangs- (oder Ausgangs-) Kapazität Ihres Verstärkers. Wie hoch ist die Gesamtkapazität (Serienkapazität)? Es wird wahrscheinlich ziemlich unvorhersehbar sein und von der kleinen Kapazität dominiert werden.

Das xtal von kleinen Kapazitäten zu isolieren, ist eine Möglichkeit, seine Stabilität zu verbessern (obwohl dieses letztere Schema meines Wissens selten angewendet wird).

Und zurück zur 1. Appnote:

Oszillatordesign ist bestenfalls eine unvollkommene Kunst. Es sollten Kombinationen aus theoretischen und experimentellen Entwurfstechniken verwendet werden.

Also probiere deines [am besten zuerst in einer Sim] und dann auf dem realen Brett und schau, ob es sich lohnt, diese Obergrenze zu sparen.

Und da die Eigenschaften des Verstärkers / Treibers von Bedeutung sind, beachten Sie auch diese Ratschläge aus einer ST-Appnote :

Viele Kristallhersteller können auf Anfrage die Kompatibilität zwischen Mikrocontroller und Kristallpaarung überprüfen. Wenn die Paarung als gültig beurteilt wird, können sie einen Bericht mit den empfohlenen CL1- und CL2-Werten sowie der negativen Oszillatorwiderstandsmessung bereitstellen.

Schließlich wird manchmal absichtlich ein Ungleichgewicht zwischen diesen Kappen eingeführt , um die Ausgangsspannung des Oszillators zu erhöhen (hierfür muss eine kleinere gelassen werden), aber dies erhöht auch die Verlustleistung auf dem xtal:

Ich finde es nicht hilfreich, die Kristallkondensatoren als in Reihe geschaltet anzusehen. Beide erledigen ähnliche Aufgaben, agieren jedoch an verschiedenen Stellen der Rennstrecke. Der erste Kondensator (und der wichtigste) befindet sich auf der Rückkopplung zum Eingang des Wechselrichters:

Der linke Teil des obigen Bildes zeigt ein Ersatzschaltbild eines 10-MHz-Kristalls zusammen mit einem 20-pF-Kondensator (C3) gegen Masse. V1 ist die Antriebsquelle und auf der rechten Seite habe ich den Frequenz- und Phasengang aufgezeichnet. Beachten Sie auch die Präsenz von R2 (die ich weiter unten erläutern werde).

Bei etwas mehr als 10 MHz beträgt der Phasenwinkel der Schaltung fast 180 Grad, und dies ist wichtig, da der Kristall von einem Wechselrichter angetrieben wird. Der Wechselrichter erzeugt eine Phasenverschiebung von 180 Grad (auch bekannt als Inversion) und der Kristall und seine externen Kondensatoren erzeugen weitere 180 Grad, also 360 Grad und positive Rückkopplung.

Um die Oszillation aufrechtzuerhalten, muss die Verstärkung größer als 1 sein. Im obigen Bild erzeugt die Schaltung bei einer Frequenz von etwas über 10 MHz eine Verstärkung, dh H (s) ist größer als 1, und eine Oszillation tritt auf, wenn das Netzwerk eine Phasenverschiebung von 180 Grad erzeugt hat .

Warum den zusätzlichen Kondensator auf der Antriebsseite des Kristalls hinzufügen?

Dies verhindert nicht nur, dass der Kristall zu stark angetrieben wird, sondern erzeugt ein paar zusätzliche Phasenverschiebungsgrade und ermöglicht es der Schaltung, zu schwingen. Beachten Sie den 100-Ohm-Widerstand mit der Bezeichnung R2 - er begrenzt den Strom in den Kristall, aber der zusätzliche Kondensator an dieser Stelle gegen Masse fügt die erforderliche Phasenverschiebung hinzu.

Viele Quarzoszillatorschaltungen zeigen diesen Vorwiderstand nicht, weil die Ausgangsimpedanz des Wechselrichters ungleich Null ist. Wenn Sie einen relativ leistungsstarken Wechselrichter hatten (der viele Dutzend mA treiben kann), benötigen Sie einen Widerstand. Wer wird 20 pF auf den Rohausgang eines Wechselrichters aufbringen, ohne einen Vorwiderstand in Betracht zu ziehen?

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