Pourquoi les condensateurs à cristal sont-ils considérés comme étant en série?

J'essaie de choisir un cristal et des condensateurs pour la synchronisation d'un MCU, et, d'après ce que j'ai compris, mon cristal a besoin d'une capacité de charge de 30pF (c'est spécifié dans la fiche technique ) pour fonctionner correctement. La façon dont j'aurais fait cela serait:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Cependant, tout le monde me dit que je devrais faire ceci:

^{simuler ce circuit}

Parce que les condensateurs sont, en quelque sorte, en série. Cela n'a aucun sens pour moi: j'utilise un autre condensateur, et le condensateur du côté droit est à côté de la sortie basse impédance de l'onduleur, donc je ne le vois pas en série. De plus, ma conception utilise un condensateur de moins. Qu'est-ce que je rate?

Il existe deux aspects de la capacité de charge. Ce que le cristal voit, c'est la capacité entre les deux extrémités du cristal. En règle générale, le circuit oscillateur aura besoin d'une certaine capacité entre une extrémité du cristal et la masse, mais cela est moins important pour le cristal.

Si les deux extrémités du cristal montaient et descendaient de manière parfaitement anti-phase, et que deux condensateurs de charge étaient dimensionnés selon le rapport inverse des amplitudes, alors le courant circulant d'un condensateur dans la terre correspondrait précisément au courant circulant de la terre dans l'autre condensateur, de sorte que si l'on déconnectait la masse mais laissait les condensateurs connectés les uns aux autres, le fonctionnement du circuit ne serait pas affecté. Dans cette situation, il serait évident que la valeur en série de la capacité importe, car la seule capacité impliquée serait deux condensateurs, en série.

En pratique, les deux extrémités du cristal n'oscillent pas à 180 degrés et les condensateurs ne sont pas dimensionnés pour correspondre au rapport d'amplitude, il y a donc un petit courant de terre qui coule dans les bouchons, mais ce n'est généralement qu'une petite partie de la courant de plafond total, le comportement dominant reste donc celui des deux plafonds en série.

La rotation de ce schéma montre pourquoi vous pouvez considérer la capacité à travers le cristal à interpréter comme en série. La charge est mesurée à travers le XTAL et non par rapport au sol

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Il est vrai que la conception de l' oscillateur Pierce standard de tourbière que vous pouvez trouver dans les anciennes annexes / fiches techniques utilise des condensateurs égaux:

Mais ce n'est en effet pas la seule chose qui pourrait fonctionner , même si je vois que le capuchon gauche plutôt que droit est celui laissé de côté:

Vous ne dites pas quelle fréquence vous visez ... ni quel ampli / puce vous utilisez. Tout ce qui compte si vous souhaitez concevoir le vôtre plutôt que de suivre certaines recommandations de livre de cuisine.

Des approches de conception encore plus simples doivent tenir compte au minimum des capacités d'entrée et de sortie de l'ampli utilisé:

Si vous ne placez un grand capuchon que d'un côté de xtal, mais de l'autre côté, vous n'avez qu'un capuchon beaucoup plus petit de la capacité d'entrée (ou de sortie) de votre ampli, quelle sera la capacité totale (série)? Il sera probablement assez imprévisible et dominé par la petite capacité.

Isoler le xtal de voir de petites capacités est un moyen d'améliorer sa stabilité (bien que ce dernier schéma soit rarement utilisé, à ma connaissance).

Et revenons à la 1ère note:

La conception de l'oscillateur est au mieux un art imparfait. Des combinaisons de techniques de conception théoriques et expérimentales doivent être utilisées.

Essayez donc le vôtre [d'abord dans une simulation de préférence], puis sur le vrai tableau et voyez s'il vaut la peine d'essayer de sauvegarder ce plafond.

Et puisque les caractéristiques de l'ampli / pilote sont importantes, notez également ce petit conseil d'une note ST :

De nombreux fabricants de cristaux peuvent vérifier la compatibilité de l'association microcontrôleur / cristal sur demande. Si l'appariement est jugé valide, ils peuvent fournir un rapport comprenant les valeurs CL1 et CL2 recommandées ainsi que la mesure de la résistance négative de l'oscillateur.

Enfin, un déséquilibre entre ces bouchons est parfois introduit exprès afin d'augmenter la tension de sortie de l'oscillateur (pour cela il faut en faire un plus petit), mais cela augmente également la dissipation de puissance sur le xtal:

Je ne trouve pas utile de considérer les condensateurs à cristal comme étant connectés en série. Ils font tous deux des travaux similaires mais agissent à différentes parties du circuit. Le premier condensateur (et le plus important) est sur le retour d'alimentation à l'entrée de l'onduleur: -

La partie gauche de l'image ci-dessus montre un circuit équivalent d'un cristal de 10 MHz avec un condensateur de 20pF (C3) à la masse. V1 est la source motrice et à droite, j'ai tracé la réponse en fréquence et en phase. Notez également la présence de R2 (que j'expliquerai plus loin).

À un peu plus de 10 MHz, l'angle de phase du circuit est très proche de 180 degrés, ce qui est important car le cristal est entraîné par un inverseur. L'onduleur produit un décalage de phase de 180 degrés (ou inversion) et le cristal et ses condensateurs externes produisent encore 180 degrés, donc 360 degrés et une rétroaction positive.

De plus, pour maintenir l'oscillation, le gain doit être supérieur à 1. En ce qui concerne l'image ci-dessus, à très légèrement plus de 10 MHz, le circuit produit un gain, c'est-à-dire que H (s) est supérieur à 1 et une oscillation se produira si le réseau a produit un décalage de phase de 180 degrés. .

Pourquoi ajouter le condensateur supplémentaire sur le côté moteur du cristal?

Cela empêche non seulement le cristal d'être entraîné trop fort, mais produit quelques degrés supplémentaires de déphasage et permet au circuit d'osciller. Remarquez la résistance de 100 ohms étiquetée R2 - elle limite le courant dans le cristal mais, le condensateur supplémentaire à la terre à ce stade ajoutera le déphasage nécessaire.

De nombreux circuits d'oscillateur à cristal ne présentent pas cette résistance série car elle utilise l'impédance de sortie non nulle de l'onduleur. Si vous aviez un onduleur relativement puissant (capable de piloter plusieurs dizaines de mA), alors une résistance est nécessaire et pensez-y - qui va coller 20pF sur la sortie brute d'un onduleur sans envisager une résistance série?

Question connexe: conception d'un oscillateur