ทำไมตัวเก็บประจุคริสตัลจึงถูกพิจารณาว่าอยู่ในซีรี่ส์?

ฉันกำลังพยายามเลือกคริสตัลและตัวเก็บประจุสำหรับการตอกบัตรของ MCU และจากสิ่งที่ฉันเข้าใจคริสตัลของฉันต้องการโหลดความจุ 30pF (ระบุไว้ในแผ่นข้อมูล ) เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง วิธีที่ฉันทำสิ่งนี้จะเป็น:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

อย่างไรก็ตามทุกคนกำลังบอกฉันว่าฉันควรทำสิ่งนี้:

^{จำลองวงจรนี้}

เพราะตัวเก็บประจุเป็นอย่างใดในซีรีส์ สิ่งนี้ไม่มีเหตุผลสำหรับฉัน: ฉันใช้ตัวเก็บประจุอีกตัวและตัวเก็บประจุทางด้านขวาติดกับเอาต์พุตความต้านทานต่ำของอินเวอร์เตอร์ดังนั้นฉันจึงไม่เห็นมันเป็นอนุกรม นอกจากนี้การออกแบบของฉันใช้ตัวเก็บประจุน้อยลงหนึ่งตัว ฉันกำลังคิดถึงอะไร

โหลดประจุมีสองด้าน สิ่งที่คริสตัลเห็นคือความจุระหว่างปลายทั้งสองของคริสตัล โดยทั่วไปวงจรออสซิลเลเตอร์จะต้องการความจุระหว่างปลายด้านหนึ่งของคริสตัลและพื้นดิน แต่ก็มีความสำคัญน้อยกว่ากับคริสตัล

หากปลายทั้งสองของผลึกเคลื่อนไหวขึ้นและลงในรูปแบบการต่อต้านเฟสที่สมบูรณ์แบบและตัวเก็บประจุโหลดสองตัวมีขนาดตามอัตราส่วนผกผันของแอมพลิจูดกระแสไฟไหลจากตัวเก็บประจุหนึ่งลงสู่พื้นจะจับคู่กระแสที่ไหลจากพื้นดิน ตัวเก็บประจุตัวอื่นเช่นถ้าใครตัดการเชื่อมต่อกราวด์ แต่ปล่อยให้ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อกันการทำงานของวงจรจะไม่ได้รับผลกระทบ ในสถานการณ์นั้นจะเห็นได้ชัดว่าเหตุใดค่าอนุกรมของตัวเก็บประจุจึงมีความสำคัญเนื่องจากตัวเก็บประจุที่เกี่ยวข้องเพียงตัวเดียวจะเป็นตัวเก็บประจุสองตัวในอนุกรม

ในทางปฏิบัติปลายทั้งสองของคริสตัลไม่ได้แกว่งไปมากัน 180 องศาและตัวเก็บประจุไม่ได้ปรับขนาดให้เหมาะกับอัตราส่วนแอมพลิจูดดังนั้นจึงมีกระแสกราวด์เล็กน้อยในแคป แต่โดยทั่วไปจะเป็นเพียงส่วนเล็ก ๆ ของ จำนวนสูงสุดของกระแสรวมดังนั้นพฤติกรรมที่โดดเด่นยังคงเป็นของตัวพิมพ์ใหญ่สองชุด

การหมุนแผนผังนี้แสดงให้เห็นว่าทำไมคุณสามารถพิจารณาความจุของคริสตัลที่จะตีความตามลำดับ โหลดถูกวัดทั่วทั้ง XTAL และไม่สัมพันธ์กับกราวด์

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

มันเป็นความจริงที่การออกแบบPierce oscillator ที่ลุ่มคุณสามารถค้นหาได้ในappnotes / เอกสารข้อมูลโบราณใช้ตัวเก็บประจุที่เท่ากัน:

แต่นั่นไม่ใช่สิ่งเดียวที่สามารถใช้งานได้แม้ว่าฉันจะเห็นว่าฝาครอบด้านซ้ายมากกว่าฝาครอบขวาเป็นชุดที่เหลืออยู่:

คุณไม่ได้กำลังพูดถึงความถี่ที่คุณกำหนดเป้าหมาย ... หรือแอมป์ / ชิปที่คุณใช้อยู่ ทั้งหมดนี้สำคัญถ้าคุณต้องการออกแบบของคุณเองมากกว่าทำตามคำแนะนำตำราอาหาร

แม้แต่วิธีการออกแบบที่ง่ายกว่านั้นยังต้องพิจารณาอย่างน้อยความจุอินพุตและเอาต์พุตของแอมป์ที่ใช้:

หากคุณวางฝาขนาดใหญ่ไว้ที่ด้านเดียวของ xtal แต่อีกด้านหนึ่งคุณมีความจุของอินพุต (หรือเอาต์พุต) ของแอมป์ของคุณที่เล็กกว่ามากความจุรวม (อนุกรม) จะเป็นเท่าใด มันอาจจะคาดเดาไม่ได้และครอบงำโดยความจุขนาดเล็ก

การแยก xtal ออกจากการมองเห็นความจุขนาดเล็กเป็นวิธีหนึ่งในการปรับปรุงเสถียรภาพของมัน (แม้ว่ารูปแบบหลังนี้ไม่ค่อยได้ใช้เท่าที่ฉันรู้)

และกลับมาที่บันทึกย่อที่ 1:

การออกแบบ Oscillator เป็นศิลปะที่ไม่สมบูรณ์แบบที่สุด ควรใช้การผสมผสานของเทคนิคการออกแบบเชิงทฤษฎีและเชิงทดลอง

ดังนั้นลองของคุณ [ก่อนอื่นในซิมที่ดีกว่า] จากนั้นลงบนกระดานจริงและดูว่ามันคุ้มค่าที่จะบันทึกฝาครอบนั้นหรือไม่

และเนื่องจากคุณสมบัติของแอมป์ / คนขับก็สำคัญด้วยเช่นกันโปรดสังเกตคำแนะนำเล็กน้อยจากAppnote ST :

ผู้ผลิตคริสตัลหลายรายสามารถตรวจสอบความเข้ากันได้ของไมโครคอนโทรลเลอร์ / การจับคู่คริสตัลเมื่อมีการร้องขอ หากตัดสินการจับคู่ที่ถูกต้องพวกเขาสามารถจัดทำรายงานรวมถึงค่า CL1 และ CL2 ที่แนะนำรวมถึงการวัดค่าความต้านทานเชิงลบของออสซิลเลเตอร์

ในที่สุดความไม่สมดุลระหว่างแคปเหล่านี้บางครั้งก็มีการแนะนำโดยมีจุดประสงค์เพื่อเพิ่มแรงดันเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์ (สำหรับสิ่งนี้คุณต้องทำให้มีขนาดเล็กลงเหลือหนึ่งอัน) แต่ก็เป็นการเพิ่มการกระจายพลังงานบน xtal:

ฉันไม่พบว่ามีประโยชน์ในการพิจารณาตัวเก็บประจุคริสตัลว่าเชื่อมต่อเป็นอนุกรม พวกเขาทั้งสองทำงานคล้ายกัน แต่ทำหน้าที่ในส่วนต่าง ๆ ของวงจร ตัวเก็บประจุตัวแรก (และตัวที่สำคัญที่สุด) อยู่ที่ตัวป้อนคืนกลับไปที่อินพุตของอินเวอร์เตอร์: -

ส่วนด้านซ้ายของภาพด้านบนแสดงวงจรที่เทียบเท่ากับคริสตัล 10 MHz พร้อมกับตัวเก็บประจุ 20pF (C3) ถึงกราวด์ V1 เป็นแหล่งขับขี่และด้านขวาฉันได้วางแผนการตอบสนองความถี่และเฟส ทราบด้วย presense ของ R2 (ซึ่งฉันจะอธิบายเพิ่มเติมลงไป)

ที่ความถี่มากกว่า 10MHz มุมเฟสของวงจรนั้นเกือบ 180 องศาและนี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากคริสตัลถูกขับเคลื่อนโดยอินเวอร์เตอร์ อินเวอร์เตอร์สร้างการเปลี่ยนแปลงเฟส 180 องศา (การกลับกันที่รู้จัก) และคริสตัลและตัวเก็บประจุภายนอกผลิตอีก 180 องศาดังนั้น 360 องศาและการตอบรับเชิงบวก

นอกจากนี้เพื่อรักษาความผันผวนอัตราขยายจะต้องมากกว่า 1 ตามภาพด้านบนที่น้อยกว่า 10 เมกะเฮิรตซ์วงจรก่อให้เกิดกำไรเช่น H (s) มากกว่า 1 และการสั่นจะเกิดขึ้นหากเครือข่ายมีการเปลี่ยนแปลงเฟส 180 องศา .

ทำไมต้องเพิ่มตัวเก็บประจุเพิ่มเติมที่ด้านการขับขี่ของคริสตัล

สิ่งนี้ไม่เพียง แต่จะช่วยป้องกันคริสตัลที่ถูกขับแรงเกินไป แต่ยังสร้างเฟสกะไม่กี่องศาและช่วยให้วงจรสั่น สังเกตุตัวต้านทาน 100 โอห์มที่ติดป้าย R2 - มัน จำกัด กระแสเข้าไปในคริสตัล แต่ตัวเก็บประจุพิเศษที่ต่อลงดิน ณ จุดนี้จะเพิ่มการเปลี่ยนเฟสที่ต้องการ

วงจรคริสตัลออสซิลเลเตอร์จำนวนมากไม่แสดงตัวต้านทานซีรีย์นี้เนื่องจากใช้ประโยชน์จากความต้านทานเอาต์พุตไม่เป็นศูนย์ของอินเวอร์เตอร์ หากคุณมีอินเวอร์เตอร์ที่ค่อนข้างทรงพลัง (สามารถขับได้หลายสิบ mA) จำเป็นต้องมีตัวต้านทานและคิดเกี่ยวกับมัน - ใครจะติด 20pF บนเอาท์พุทดิบของอินเวอร์เตอร์โดยไม่คำนึงถึงตัวต้านทานอนุกรม

คำถามที่เกี่ยวข้อง: การออกแบบ Oscillator