Чому вважаються кришталеві конденсатори послідовно?

Я намагаюся вибрати кристал та конденсатори для тактового управління MCU, і, з того, що я зрозумів, мій кристал потребує ємності навантаження 30pF (це вказано в таблиці ), щоб правильно працювати. Я б це зробив:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Однак всі мені кажуть, що я повинен це зробити:

^{моделювати цю схему}

Тому що конденсатори якимось чином послідовно. Це має для мене нульовий сенс: я використовую ще один конденсатор, а конденсатор в правій частині знаходиться поруч з низькоопірним виходом інвертора, тому я просто не бачу його послідовно. Також моя конструкція використовує один менш конденсатор. Що я пропускаю?

Є два аспекти ємності навантаження. Кристал бачить ємність між двома кінцями кристала. Зазвичай схема генератора потребує деякої ємності між одним кінцем кристала і землею, але це менш важливо для кристала.

Якби два кінці кристала рухалися вгору і вниз ідеально антифазним способом, а два навантажувальні конденсатори розміру визначалися відповідно до оберненого співвідношення амплітуд, то струм, що протікав з одного конденсатора в землю, точно відповідав би струму, що протікає з землі в інший конденсатор, таким чином, якщо б один роз'єднаний заземлювач, але залишив конденсатори з'єднані один з одним, на роботу ланцюга це не вплине. У цій ситуації було б очевидно, чому значення значення ємності серії має значення, тому що єдиним задіяним ємність буде два конденсатори послідовно.

На практиці два кінці кристала не коливаються на 180 градусів один від одного, і конденсатори не мають розміру, щоб відповідати коефіцієнту амплітуди, тому в кришках тече невеликий струм заземлення, але це, як правило, лише невелика частина загальний струм ковпачків, тому домінуючою поведінкою все ще є поведінка двох кеп в серії.

Поворот цієї схеми показує, чому ви можете вважати ємність по всьому кристалу інтерпретувати, як у серії. Навантаження вимірюється через XTAL, а не відносно землі

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Це правда, що стандартна модель осцилятора Pierce, яку ви можете знайти в стародавніх додатках / таблицях даних, використовує рівні конденсатори:

Але це справді не єдине, що могло б спрацювати , хоча я бачу, що ліва, а не права шапка - це та, що залишилася поза:

Ви не говорите, на яку частоту ви націлюєтесь ... або який підсилювач / чіп ви використовуєте. Все це важливо, якщо ви хочете створити свій власний, а не слідувати деяким рекомендаціям кулінарної книги.

Навіть набагато простіші підходи до проектування повинні враховувати як мінімум вхідні та вихідні ємності використовуваного підсилювача:

Якщо ви поставите велику шапку лише на одну сторону xtal, а на іншій стороні у вас є лише набагато менший ковпачок вхідної (або вихідної) ємності вашого підсилювача, яка буде загальна (серія) ємність? Це, мабуть, буде досить непередбачуваним і домінуватиме у малій ємності.

Ізоляція xtal від бачення малих ємностей є одним із способів підвищення його стабільності (хоча ця остання схема рідко використовується, наскільки я знаю).

І повертаючись до 1-ї програми:

Дизайн осциляторів - це в кращому випадку недосконале мистецтво. Слід використовувати комбінації теоретичних та експериментальних методик проектування.

Тож спробуйте своє [спочатку в сім-силі, бажано], а потім на реальній дошці і подивіться, чи варто спробувати зберегти цю шапку.

А оскільки характеристики підсилювача / драйвера мають значення, також зверніть увагу на цю пораду від програми ST :

Багато виробників кристалів можуть перевірити сумісність мікроконтролерів / кристалів під час запиту. Якщо спарювання вважається дійсним, вони можуть надати звіт, що включає рекомендовані значення CL1 та CL2, а також вимірювання негативного опору генератора.

Нарешті, іноді цілеспрямовано вводиться дисбаланс між цими ковпачками , щоб збільшити вихідну напругу генератора (для цього потрібно зробити лівий один менший), але це також збільшує розсіювання потужності на xtal:

Я не вважаю корисним вважати кришталеві конденсатори як підключені послідовно. Вони обидва виконують подібні завдання, але діють у різних частинах схеми. Перший конденсатор (і найважливіший) знаходиться на зворотній подачі назад на вхід інвертора: -

Ліва частина малюнка вгорі показує еквівалентну схему 10 МГц кристала разом з 20pF конденсатором (C3) на землю. V1 - це джерело руху, і праворуч я побудував графік частотної та фазової характеристики. Зауважте також презентацію R2 (яку я поясню далі).

При трохи більше 10 МГц фазовий кут ланцюга становить майже майже 180 градусів, і це важливо, оскільки кристалом керує інвертор. Інвертор виробляє зсув фази на 180 градусів (він же інверсія), а кристал та його зовнішні конденсатори виробляють ще 180 градусів, отже, 360 градусів і позитивні відгуки.

Також для підтримки коливань коефіцієнт посилення повинен бути більшим, ніж 1. Зважає на малюнок, наведений вище, при дуже трохи більше 10 МГц схема створює посилення, тобто H (s) перевищує 1, і коливання будуть відбуватися, якщо мережа виробила фазовий зсув на 180 градусів. .

Навіщо додавати додатковий конденсатор на рушійну сторону кристала?

Це не тільки запобігає занадто сильному забиванню кристала, але створює кілька додаткових ступенів зсуву фази і дозволяє схемі коливатися. Зверніть увагу на резистор із позначенням R2 на 100 Ом - він обмежує струм в кристалі, але додатковий конденсатор на землю в цій точці додасть необхідний фазовий зсув.

Багато кристалічних генераторів не показують резистор цієї серії, оскільки він використовує ненульовий вихідний опір інвертора. Якщо у вас був відносно потужний інвертор (здатний приводити в рух багато десятків мА), тоді потрібен резистор і подумайте над цим - хто збирається приклеїти 20pF на вихідний вихідний інвертор, не розглядаючи серійний резистор?

Пов'язане питання: Проектування осцилятора