Auswahl der Ladekondensatorwerte für 32-kHz-Quarz

Ich benötige Hilfe bei der Auswahl von Ladekondensatoren für ein 32,768-kHz-XTAL in einem Design, an dem ich arbeite.

Dies ist etwas lang, aber die großen Fragen sind: Ist es wichtig, die Ladekappenwerte richtig einzustellen, und wie wichtig ist die parasitäre Kapazität der Leiterbahnen und Leitungen, um dies zu bestimmen?

Mein Gerät verwendet einen TI CC1111 SoC und basiert auf einem Referenzdesign für einen von TI erhältlichen USB-Dongle. Der CC1111 benötigt sowohl einen 48-MHz-Hochgeschwindigkeitsoszillator (HS) als auch einen 32-kHz-Niedriggeschwindigkeitsoszillator (LS). Das Referenzdesign verwendet einen Kristall für den HS-Oszillator und eine interne RC-Schaltung für den LS-Oszillator. Der CC11111 kann jedoch für eine bessere Genauigkeit, die ich benötige, an einen 32,768-kHz-Quarzoszillator angeschlossen werden.

Das CC1111- Datenblatt enthält eine Formel (S. 36) zur Auswahl der Werte für die Ladekondensatoren. Zur Überprüfung der Gesundheit habe ich diese Formel verwendet, um Werte für die Kappen zu berechnen, die mit dem 48-MHz-Xtal im Referenzdesign verwendet wurden. Ich dachte, ich sollte ungefähr die gleichen Zahlen erhalten, die tatsächlich im Design verwendet werden. Aber die Kapazitätswerte, die ich mir ausgedacht habe, stimmen nicht mit denen von TI überein, deshalb bin ich etwas besorgt.

Die Details meiner Untersuchung sind unten aufgeführt, aber zusammenfassend besagt das Datenblatt des 48-MHz-Kristalls , dass eine Lastkapazität von 18 pF erforderlich ist. Die beiden im Referenzdesign verwendeten Lastkondensatoren sind beide 22 pF. Die CC1111-Datenblattformel zum Beziehen der Lastkapazität, die über die Leitungen des xtals gesehen wird, auf die Werte für die Lastkondensatoren ( $C_a$ und ) lautet $C_b$

{C.}_{l Ö ein d} = \frac{1}{\frac{1}{{C.}_{ein}} + \frac{1}{{C.}_{b}}} + {C.}_{p ein r ein s ich t ich c}

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

Wenn Sie 18 pF für und 22 pF für und , bedeutet dies, dass 7 pF muss. Das Datenblatt besagt jedoch, dass dieser Wert typischerweise 2,5 pF beträgt. Wenn ich diesen Rat verwendet hätte, würde ich mit = = 31 pF und nicht mit 22 pF, wie es tatsächlich im Referenzdesign verwendet wird. $C_{load}$ $C_a$ $C_b$ $C_{parasitic}$ $C_a$ $C_b$

Alternativ kann gemäß TI Application Note AN100 ,

{C.}_{l Ö ein d} = \frac{{C.}_{1}^{'} \times {C.}_{2}^{'}}{{C.}_{1}^{'} + {C.}_{2}^{'}},

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

wobei " die Summe der Kapazität in , der parasitären Kapazität in der Leiterplattenspur und der Kapazität im Anschluss des Kristalls ist. Die Summe der beiden letzteren Teile liegt typischerweise im Bereich von 2 bis 8 pF." $C_x'$ $C_x$

Wenn = = 22 pF, erhalten Sie = 2 * 18 pF = 36 pF, so dass die jedem Trace + Terminal zugeordnete parasitäre Kapazität 36pF - 22pF = 14 pF beträgt, was außerhalb des Bereichs von 2 - 8 pF liegt zitiert in AN100. $C_1$ $C_2$ $C_1'$

Ich frage das alles, weil ich mir Sorgen mache, dass wenn ich die falschen Ladekondensatorwerte wähle, es entweder nicht funktioniert oder die Frequenz falsch ist. Wie empfindlich sind diese Arten von Kristallen gegenüber den Ladekappenwerten?

Details meiner Ermittlungen:

Aus der Partlist.rep (BOM), die in der Zip-Datei des Referenzdesigns enthalten ist, sind der Kristall (X2) und die beiden Lastkondensatoren, an die er angeschlossen ist (C203, C214):

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

Die Lastkondensatoren haben also jeweils einen Wert von 22 pF. Der Kristall, der auf einer Antwort auf eine frühere Frage des TI E2E-Forums für ein verwandtes Gerät basiert, ist dieser Teil:

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

Der Wert von 18 pF stammt aus dem Datenblatt für den ABM8-48.000MHz-B2-T .

Danke für Ihre Hilfe.

microcontroller capacitor crystal

— David
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Antworten:

Höchstwahrscheinlich sind die von TI verwendeten 22pF-Werte ein Kompromiss (Kosten / Verfügbarkeit). Der Kristall kann im Allgemeinen einige pF plus oder minus des berechneten Wertes tolerieren. Ich würde vermuten, dass einige empirische Tests in die Entscheidung eingeflossen sind, 22pF anstelle eines näheren Wertes zu verwenden, oder dass 22pF bereits in der Stückliste enthalten war.

Letztendlich basiert sogar eine Berechnung wie im Datenblatt auf der Streukapazitätsschätzung. Sie müssen den Kondensatorwert testen und sicherstellen, dass er in Ihrem Endprodukt funktioniert.

Auf Seite 20 des C1111-Datenblatts, auf das Sie verlinkt haben, ist 12-18pF der Bereich, der für den 32,768-kHz-Kristall verwendet werden soll. Ihr Kilometerstand kann variieren.

Das Wichtigste ist, dass der Kondensator eine enge Toleranz mit einem geeigneten dielektrischen Material aufweist (eines, das nicht stark temperaturabhängig ist, wie z. B. NP0 / C0G).

Weiterführende Literatur: Hier ist ein Link zu einer guten Erklärung des Themas der Wechselwirkung von Kristallen und Kondensatoren.

— Adam Lawrence
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Vielen Dank. Das Datenblatt empfiehlt den Epson MC-306 32,768-kHz-Kristall, und ich plane, die 12,5-pF-Version zu bestellen. Vielen Dank für den technischen Hinweis, ich werde es lesen. Ich habe dieses auch seitdem von TI gefunden: ti.com/lit/an/slaa322b/slaa322b.pdf . Wenn ich mich also nicht irre, hole ich meine Prototyp-Leiterplatte aus dem Fabrikhaus zurück, sehe nach, ob sie funktioniert, und wenn nicht, iteriere ich? Das klingt teuer. : ^ (

— David

Eine andere Frage: Ist +/- 2% OK? Das Datenblatt empfiehlt die Serie "Murata GRM1555C". Ich kann diese in Toleranzen von +/- 2% finden, aber niemand scheint die Sorte +/- 1% zu haben (dh GRM1555C1E200FA01, wobei das 'F' für 1% Toleranz steht und ein 'G' 2% Toleranz anzeigt). .

— David

Alles, was besser als 5% Toleranz ist, ist hilfreich.

— Adam Lawrence

NP0 verwenden ... oder NP0 nicht verwenden?

— Hassan789

Ich würde NP0 in dieser Anwendung nicht verwenden.

— Adam Lawrence

Wenn Sie versuchen, die genaue Zeit über einen langen Zeitraum zu halten, müssen Sie das System wahrscheinlich irgendwie kalibrieren, da die für diese Kristalle normalerweise angegebene Anfangsgenauigkeit von 20 ppm in einem Jahr zuvor 15 Minuten Fehler verursacht Selbst wenn man sich Kondensatoren, Kristalltempco (riesig) und Kristalldrift ansieht. Einige PIC-Prozessoren verfügen über ein Kalibrierungssystem, das einige hundert ppm Fehler kompensieren kann. Sie müssen es jedoch während der Produktion oder im laufenden Betrieb während des Betriebs kalibrieren. Die Laufzeit-Temperaturkompensation des Kristalls ist entscheidend, wenn Ihr System ab 25 ° C mehr als ein paar Grad arbeitet. Im Großen und Ganzen ist die Kondensatorstabilität normalerweise wichtiger als die anfängliche Toleranz.

— Julia Truchsess
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