¿Por qué los condensadores de cristal se consideran en serie?

Estoy tratando de elegir un cristal y condensadores para la sincronización de una MCU y, por lo que he entendido, mi cristal necesita una capacidad de carga de 30pF (se especifica en la hoja de datos ) para funcionar correctamente. La forma en que habría hecho esto sería:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Sin embargo, todos me dicen que debería hacer esto:

^{simular este circuito}

Porque los condensadores están, de alguna manera, en serie. Esto tiene cero sentido para mí: estoy usando un condensador más, y el condensador en el lado derecho está al lado de la salida de baja impedancia del inversor, por lo que simplemente no lo veo en serie. Además, mi diseño usa un condensador menos. ¿Qué me estoy perdiendo?

Hay dos aspectos de la capacitancia de carga. Lo que ve el cristal es la capacitancia entre los dos extremos del cristal. Típicamente, el circuito oscilador necesitará algo de capacitancia entre un extremo del cristal y tierra, pero eso es menos importante para el cristal.

Si los dos extremos del cristal se movieran hacia arriba y hacia abajo de manera antifásica perfecta, y dos condensadores de carga se dimensionaran de acuerdo con la relación inversa de las amplitudes, entonces la corriente que fluye de un condensador a tierra coincidiría exactamente con la corriente que fluye de tierra a tierra el otro condensador, de modo que si uno desconectara la tierra pero dejara los condensadores conectados entre sí, el funcionamiento del circuito no se vería afectado. En esa situación, sería obvio por qué el valor en serie de la capacitancia sería importante, porque la única capacitancia involucrada sería dos capacitores, en serie.

En la práctica, los dos extremos del cristal no oscilan bastante separados 180 grados, y los condensadores no están dimensionados para coincidir con la relación de amplitud, por lo que hay una pequeña corriente de tierra que fluye en las tapas, pero generalmente es solo una pequeña porción de corriente de límite total, por lo que el comportamiento dominante sigue siendo el de los dos límites en serie.

Girar este esquema muestra por qué puede considerar que la capacitancia a través del cristal se interpreta como en serie. La carga se mide a través del XTAL y no en relación con el suelo.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Es cierto que el diseño estándar del oscilador Pierce estándar que puedes encontrar en las antiguas notas / hojas de datos usa condensadores iguales:

Pero eso no es lo único que podría funcionar , aunque veo que el límite izquierdo en lugar del derecho es el que queda fuera:

No estás diciendo a qué frecuencia estás apuntando ... o qué amplificador / chip estás usando. Todo lo cual es importante si desea diseñar el suyo propio en lugar de seguir algunas recomendaciones de libros de cocina.

Incluso los enfoques de diseño mucho más simples deben tener en cuenta al menos las capacidades de entrada y salida del amplificador utilizado:

Si coloca una tapa grande solo en un lado de xtal, pero en el otro lado solo tiene una tapa mucho más pequeña de la capacitancia de entrada (o salida) de su amplificador, ¿cuál será la capacitancia total (en serie)? Probablemente será bastante impredecible y dominado por la pequeña capacitancia.

Aislar el xtal de ver pequeñas capacidades es una forma de mejorar su estabilidad (aunque este último esquema rara vez se usa, hasta donde yo sé).

Y volviendo a la primera nota de aplicación:

El diseño del oscilador es un arte imperfecto en el mejor de los casos. Se deben utilizar combinaciones de técnicas de diseño teórico y experimental.

Así que prueba el tuyo [primero en un sim preferiblemente] y luego en el tablero real y ve si vale la pena intentar salvar ese límite.

Y dado que las características del amplificador / controlador son importantes, también tenga en cuenta este consejo de una nota de aplicación ST :

Muchos fabricantes de cristales pueden verificar la compatibilidad del microcontrolador / emparejamiento de cristales a pedido. Si el emparejamiento se considera válido, pueden proporcionar un informe que incluya los valores recomendados de CL1 y CL2, así como la medición de resistencia negativa del oscilador.

Finalmente, a veces se introduce un desequilibrio entre estas tapas a propósito con el fin de aumentar el voltaje de salida del oscilador (para esto debe hacer que el izquierdo sea más pequeño), pero esto también aumenta la disipación de potencia en el xtal:

No me parece útil considerar que los condensadores de cristal están conectados en serie. Ambos realizan trabajos similares pero actúan en diferentes partes del circuito. El primer condensador (y el más importante) está en la retroalimentación a la entrada del inversor: -

La parte izquierda de la imagen de arriba muestra un circuito equivalente de un cristal de 10 MHz junto con un condensador de 20pF (C3) a tierra. V1 es la fuente de conducción y a la derecha he trazado la respuesta de frecuencia y fase. Tenga en cuenta también la presencia de R2 (que explicaré más adelante).

A poco más de 10MHz, el ángulo de fase del circuito es de casi 180 grados y esto es importante porque el cristal está siendo impulsado por un inversor. El inversor produce 180 grados de desplazamiento de fase (también conocido como inversión) y el cristal y sus condensadores externos producen otros 180 grados, por lo tanto, 360 grados y retroalimentación positiva.

Además, para mantener la oscilación, la ganancia debe ser mayor que 1. Con respecto a la imagen de arriba, a muy poco más de 10 MHz, el circuito produce ganancia, es decir, H (s) es mayor que 1 y la oscilación ocurrirá si la red hubiera producido un cambio de fase de 180 grados. .

¿Por qué agregar el condensador adicional en el lado de conducción del cristal?

Esto no solo evita que el cristal se mueva demasiado, sino que produce algunos grados adicionales de desplazamiento de fase y permite que el circuito oscile. Observe la resistencia de 100 ohmios etiquetada como R2: limita la corriente hacia el cristal, pero el capacitor adicional a tierra en este punto agregará el cambio de fase necesario.

Muchos circuitos de oscilador de cristal no muestran esta resistencia en serie porque utiliza la impedancia de salida distinta de cero del inversor. Si tenía un inversor relativamente potente (capaz de manejar muchas decenas de mA), entonces se necesita una resistencia y piense en ello: ¿quién va a pegar 20pF en la salida bruta de un inversor sin contemplar una resistencia en serie?

Pregunta relacionada: Diseño de un oscilador