Selección de valores de condensador de carga para cristal de 32 kHz

Necesito ayuda para seleccionar condensadores de carga para un XTAL de 32.768 kHz en un diseño en el que estoy trabajando.

Esto es un poco largo, pero las grandes preguntas son: ¿Es crítico obtener los valores de límite de carga correctos y qué tan importante será la capacitancia parásita de los rastros y cables para determinar esto?

Mi dispositivo utiliza un SoC TI CC1111 y se basa en un diseño de referencia para un dongle USB disponible de TI. El CC1111 requiere un oscilador de alta velocidad (HS) de 48 MHz y un oscilador de baja velocidad (LS) de 32 kHz. El diseño de referencia utiliza un cristal para el oscilador HS y un circuito RC interno para el oscilador LS. Sin embargo, el CC11111 se puede conectar a un oscilador de cristal de 32.768 kHz para una mejor precisión, lo que necesito.

La hoja de datos CC1111 proporciona una fórmula (p. 36) para elegir valores para los condensadores de carga. Como comprobación de cordura, utilicé esa fórmula para calcular los valores de los límites utilizados con el xtal de 48 MHz en el diseño de referencia. Pensé que debería obtener aproximadamente los mismos números que realmente se usan en el diseño. Pero los valores de capacitancia que se me ocurren no coinciden con los utilizados por TI, así que estoy un poco preocupado.

Los detalles de mi investigación están a continuación, pero en resumen, la hoja de datos del cristal de 48 MHz dice que requiere una capacidad de carga de 18pF. Los dos condensadores de carga utilizados en el diseño de referencia son ambos 22 pF. La fórmula de la hoja de datos CC1111 para relacionar la capacitancia de carga vista a través de los cables del xtal con los valores para los capacitores de carga ( y ) es $C_a$ $C_b$

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}

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

Al conectar 18 pF para y 22 pF para y , esto significa que debe ser de 7 pF. Sin embargo, la hoja de datos dice que este valus es típicamente 2.5 pF. Si hubiera usado este consejo, terminaría con = = 31 pF, y no con 22 pF como se usa realmente en el diseño de referencia. $C_{load}$ $C_a$ $C_b$ $C_{parasitic}$ $C_a$ $C_b$

Alternativamente, de acuerdo con la nota de aplicación de TI AN100 ,

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

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

donde " es la suma de la capacitancia en , la capacitancia parásita en el trazado de PCB y la capacitancia en el terminal del cristal. La suma de las dos últimas partes estará típicamente en el rango de 2 - 8 pF". $C_x'$ $C_x$

Si = = 22 pF, obtienes = 2 * 18 pF = 36 pF, de modo que la capacitancia parásita asociada con cada traza + terminal es 36pF - 22pF = 14 pF, que está fuera del rango de 2 - 8 pF citado en AN100. $C_1$ $C_2$ $C_1'$

Pregunto todo esto porque me preocupa que si elijo los valores de condensador de carga incorrectos, no funcionará o la frecuencia será incorrecta. ¿Cuán sensibles son estos tipos de cristales a los valores de límite de carga?

Detalles de mi investigación:

Desde Partlist.rep (BOM) incluido en el archivo zip de diseño de referencia, el cristal (X2) y los dos condensadores de carga a los que está conectado (C203, C214) son:

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

Por lo tanto, los condensadores de carga tienen un valor de 22 pF. El cristal, sobre la base de una respuesta a una anterior foro de TI E2E pregunta de un producto afín, es esta 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

El valor de 18 pF proviene de la hoja de datos para el ABM8-48.000MHz-B2-T .

Gracias por tu ayuda.

microcontroller capacitor crystal

— David
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Respuestas:

Lo más probable es que los valores de 22pF utilizados por TI sean un compromiso (costo / disponibilidad). El cristal generalmente puede tolerar unos pocos pF más o menos el valor calculado. Supongo que algunas pruebas empíricas tomaron la decisión de usar 22pF en lugar de un valor más cercano, o tal vez 22pF ya estaba en la lista de materiales.

En última instancia, incluso un cálculo como el que se encuentra en la hoja de datos se basa en la 'estimación aproximada' de capacitancia parásita. Debe probar cualquier valor de condensador que se le ocurra y asegurarse de que funcione en su producto final.

Además, la página 20 de la hoja de datos C1111 a la que se vinculó dice que 12-18pF es el rango a utilizar para el cristal de 32.768kHz. Su experiencia puede ser diferente.

Lo más importante a tener en cuenta es que el condensador debe tener una tolerancia estricta con un material dieléctrico apropiado (uno que no sea altamente dependiente de la temperatura, como NP0 / C0G).

Lectura adicional: aquí hay un enlace a una buena explicación del tema de cómo interactúan los cristales y los condensadores.

— Adam Lawrence
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Gracias. La hoja de datos recomienda el cristal Epson MC-306 32.768 kHz, y planeo pedir la versión 12.5 pF. Gracias por la nota técnica, la leeré. También he encontrado este desde TI: ti.com/lit/an/slaa322b/slaa322b.pdf . Entonces, si no me equivoco, recuperaré mi PCB prototipo de la casa fabulosa, veré si funciona y, si no, ¿iterar? Esto suena caro. : ^ (

— David

Otra pregunta: ¿está bien +/- 2%? La hoja de datos recomienda la serie "Murata GRM1555C". Puedo encontrarlos en tolerancias de +/- 2%, pero nadie parece tener la variedad +/- 1% (es decir, GRM1555C1E200FA01, donde la 'F' es para 1% de tolerancia, y una 'G' indicaría 2% de tolerancia) .

— David

Cualquier cosa mejor que 5% de tolerancia será útil.

— Adam Lawrence el

usa NP0 ... o no usa NP0?

— hassan789

No usaría NP0 en esta aplicación.

— Adam Lawrence

Si está tratando de mantener un tiempo preciso durante un período prolongado, es probable que necesite calibrar el sistema de alguna manera, ya que la precisión inicial de 20 ppm típicamente especificada para estos cristales le dará 15 minutos de error en un año antes incluso mirando condensadores, tempco de cristal (enorme) y deriva de cristal. Algunos procesadores PIC tienen un sistema de calibración que puede compensar algunos cientos de ppm de error, pero debe calibrarlo durante la producción o sobre la marcha durante el uso. La compensación de temperatura de tiempo de ejecución del cristal es crítica si su sistema funcionará a más de unos pocos grados desde 25ºC. En general, la estabilidad del condensador suele ser más importante que la tolerancia inicial.

— Julia Truchsess
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