Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Här skriver vi inga frågor. Här finns svaren.
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 18279
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av 4kTRB »

För att beräkna komponentvärden till en oscillator
så behöver man veta att den ska återkoppla på
rätt sätt för att fungera.

En enkel kristalloscillator är en uppbyggd med CMOS-logik.
Det är lätt att beräkna ungefärliga värden om man vet
att C1 fasvrider Uut -45 grader vid aktuell frekvens.
Kristallen kan ses som en induktans i parallell med en kondensator
och fasvrider -90 grader. Sedan fasvrider C2 U1 ytterligare -45 grader.
Totalt alltså -180 grader. Grinden fixar resten, alltså inverterar
och det är det samma som -180 grader.

360 grader och det svänger.

C2 är lämpligt att ha trimbar.

Lämpligt är att ställa upp en vanlig jw ekv. för att ta reda på komponentvärden.


Bild
Användarvisningsbild
Icecap
Inlägg: 26105
Blev medlem: 10 januari 2005, 14:52:15
Ort: Aabenraa, Danmark

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av Icecap »

Kristallen ska ses som en svängningskrets med ett mittuttag!
Belastningskondensatorerna är INTE orsaken till fasvridningen, de agerar bara som ett kapacitivt kopplat mittuttag som sitter till GND.

Deras exakta värde beror på kristallens "behov" av belastning avräknat från strökapacitans!

Är ett kristall t.ex. specificerat till en lastkapacitet av 12pF borde det vara 2 st 24pF i serie men det finns lite strökapacitet mellan processorpinnar, ledare osv. vilket kan vara omöjligt att ha exakta tal på men man kan approximera ganska väl, jag brukar ta runt 4-5pF som strökapacitans, detta ger i detta fall att det ska 7-8pF mer, med 2 kondensatorer i serie blir det 14-16pF per styck, därför använder jag alltid 18pF.

Du har alltså inte koll på detta till den grad där du ska ge råd verkar det som...
xxargs
Inlägg: 10183
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av xxargs »

Med 10 kOhm så driver du en 32768 kHz klockkristall alldeles för hårt - i regel brukar seriemotståndet till klockkristallen ligga mellan 220 kOhm till 1 MOhm för låga frekvenser som 32768 Hz, mycket också för att spara ström i klockretsen.

för högre frekvenser i MHz-nivå kanske man ligger mellan 500 Ohm - 10 kOhm och motståndet är viktigt för att dra ned lasten från 5 - 7 mW över kristallen till under 0.5 mW (500µW)

Man får titta på kristallens datablad och en vanlig regel för processorkristaller är att de inte bör drivas mer än 500 µW.

att montera en 0-Ohm motstånd eller inte ens lägga in plats för seriemotståndet är en mycket vanlig designmiss när det gäller design av pierce-oscillatorer som ovanstående.

Bland mina första inlägg här på EF handlade just om kristaller (när jag hade precis slagits med dessa på jobbet): http://elektronikforumet.com/forum/view ... =2&t=15708 - det är möjligt att texten kanske är inaktuell numera - men å andra sidan brukar inte passiva grejors regler ändra sig så mycket med tiden...
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 18279
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av 4kTRB »

Jag har haft ett inlägg tidigare.

Jag tänkte i vilket fall presentera mina teorier här om inte 100% fullt ut.

Jag hämtade värden för en typisk 1MHz krístall från ARRL-handbook.

Där står att läsa att en oscillator av den här typen inte kommer svänga exakt på sin serieresonans.

Jag har ändå räknat ungefär med serieresonans. Vid serieresonans så kan kristallens impedans
ses som dess resistans alltså 340 ohm i modellen. Utifrån det så beräknade jag R1,C1 och C2 i
kombination med C3. C3 är CMOS-grindens ingångskapacitans.

Jag ville att R1 och C1 skulle fasvrida Uin -45 och 340ohm och 683p Uin -90.
Nu stämde inte mina beräkningar exakt med vad PSPICE vill men det hamnade väldigt nära.
PSPICE vill ha 683p till ca: 460p. Men jag körde simuleringen på mina formler.

Byter jag nu ut 340 ohms impedansen mot modellen av kristallen så får jag de olika fasförskjutningarna
vid resonans. Om resonans inträffar vid dippen på VA (plottar jag impedanskurvan för kristallen där så
blir det exakt 340ohm) så fås en fasvridning mellan VA och VB på ca. -90grader, allt enligt mina
önskemål. Första RC kombinationen fasvrider -45 och andra ytterligare -45 plus kristallen -90.
Alltså -180. Plottar jag sedan strömmen in i CMOS-grinden, den som ger upphov till ingångpänningen
så syns att den är ur fas -180 grader i förhållande till strömmen som driver på kristallen.
Bild

Bild

Bild

Bild
Senast redigerad av 4kTRB 14 september 2009, 20:18:02, redigerad totalt 2 gånger.
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 18279
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av 4kTRB »

R4 och C5 motsvarar CMOS-grindens ingångsimpedans.
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 18279
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av 4kTRB »

Detta är ju enbart teori. Återstår att se om det funkar i praktiken.
Den koppling jag visade först fungerar i vilket fall med angivna värden.
Användarvisningsbild
E85
Inlägg: 1274
Blev medlem: 29 maj 2007, 16:24:19
Ort: Övik

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av E85 »

Så hur räknar man? Det här är väl en guide...
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 18279
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av 4kTRB »

Jag bara guidar till hur man ska tänka.
Kurvorna lade jag till för att frågan kom upp hurvida mina teorier kan stämma.

Ställ upp ekvationerna för bild 2.
Se till att fasförskjutningen blir -45 för spänningen i punkt A
och att fasförskjutningen i punkt B blir -90.
Givetvis måste man kunna räkna med komplexa tal för att det ska vara idé.

Det blir mycket räknande men med matriser och determinater går det ändå ganska lätt.
Eller om det finns ett matematikprogram till hands.

Sedan måste man givetvis ha data på kristallen vilket ofta inte är fallet och
därför är det bra med trimmisar särskilt för kondensatorn på ingången.

Första RC-nätet går att ställa upp för sig själv och räkna -45 på och det blir lätt.
xxargs
Inlägg: 10183
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av xxargs »

Nu har jag inte läst igenom allt - men för just pierce-oscillator så ligger oscilleringfrekvensen någonstanns mellan serie och parallellresonansen då det är bara i den luckan som kristallen är induktiv - dvs. kristallen används som en jättelik drossel

Det gör att oscillator som jobbar så här är inte helt stabil utan kan trimmas i frekvens en aning med kapacitanserna runt om kristallen - men blir också mer temperaturkänslig (pga. temperaturdrift på komponenterna runt om kristallen då kristallen egen seriekapacitans inte används i oscillatorkopplingen mer än till liten del) och kan FM-moduleras av tex störningar på strömförsörjning, omslagspulser etc. och ge fasgitter.

En kristalloscilator som verkligen jobbar med kristallens parallell eller serieresonans rör sig inte många (k)Hz även vid ganska ansenlig förändring av de kringliggande komponetvärdena - och följdaktligen störtåligare och också har mycket lägre fasbrus...

Att oscillatorer som använder kristallens resonanfrekvenser är närmast omöjliga att rucka på är konstaterad av egen erfarenhet i bl.a ett fall då jag skulle behöva flytta övertonskristaller som svängde på 170 MHz ca 5 kHz för att centrera bättre mot ett MF-filter...
...
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 18279
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: Hur man beräknar komponentvärden för en kristalloscillator

Inlägg av 4kTRB »

Parallellresonasen ligger till höger då induktansen är i resonans med de 2 kapacitanserna i serie.
Någonstans därimellan hamnar resonansen förmodligen. Det viktiga är att det blir rätt
fasskift mellan ut och ingång på grinden. Enligt ARRL så är den här typen vanlig på microprocessorer
och chip och är en medelgod oscillator med brus och temperaturdrift acceptabelt för enklare
applikationer.
Skriv svar