Почему кристаллические конденсаторы считаются последовательными?

Я пытаюсь выбрать кристалл и конденсаторы для тактирования микроконтроллера, и, как я понял, моему кристаллу требуется нагрузочная емкость 30 пФ (это указано в техническом описании ) для правильной работы. Я бы сделал так:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Тем не менее, все говорят мне, что я должен сделать это:

^{смоделировать эту схему}

Потому что конденсаторы, так или иначе, последовательно. Это не имеет смысла для меня: я использую еще один конденсатор, и конденсатор с правой стороны находится рядом с выходом низкого сопротивления инвертора, поэтому я просто не вижу его в серии. Кроме того, мой дизайн использует на один конденсатор меньше. Что мне не хватает?

Есть два аспекта емкости нагрузки. То, что видит кристалл, это емкость между двумя концами кристалла. Как правило, схеме генератора требуется некоторая емкость между одним концом кристалла и землей, но это менее важно для кристалла.

Если два конца кристалла движутся вверх и вниз в идеальном противофазном режиме, а два нагрузочных конденсатора были рассчитаны в соответствии с обратным отношением амплитуд, то ток, протекающий из одного конденсатора в землю, будет точно соответствовать току, протекающему из земли в другой конденсатор, так что если один отключенный заземлитель, но оставит конденсаторы подключенными друг к другу, работа схемы не будет затронута. В этой ситуации было бы очевидно, почему значение емкости будет иметь значение, потому что единственной задействованной емкостью будут два конденсатора, последовательно.

На практике два конца кристалла не колеблются друг от друга на 180 градусов, и конденсаторы не рассчитаны так, чтобы соответствовать соотношению амплитуд, поэтому в колпачках протекает небольшой ток заземления, но обычно это лишь небольшая часть суммарный ток ограничения, поэтому доминирующее поведение остается таким же, как у двух последовательных ограничителей.

Вращение этой схемы показывает, почему вы можете рассматривать емкость поперек кристалла как последовательную. Нагрузка измеряется через XTAL, а не относительно земли

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Это правда, что в стандартной конструкции осциллятора Пирса, которую можно найти в древних приложениях / таблицах, используются равные конденсаторы:

Но это действительно не единственное, что могло бы сработать , хотя я вижу, что левый, а не правый колпачок - это один из оставленных:

Вы не говорите, на какую частоту вы нацеливаетесь ... или какой усилитель / чип вы используете. Все это имеет значение, если вы хотите создать свой собственный, а не следовать некоторым рекомендациям поваренной книги.

Даже гораздо более простые подходы к проектированию должны учитывать как минимум входную и выходную емкости используемого усилителя:

Если вы поместите большой колпачок только на одну сторону xtal, а с другой стороны у вас будет только намного меньший колпачок входной (или выходной) емкости вашего усилителя, какова будет общая (последовательная) емкость? Вероятно, это будет довольно непредсказуемо и будет зависеть от небольшой емкости.

Изолирование xtal от наблюдения малых емкостей является одним из способов улучшить его стабильность (хотя, насколько я знаю, эта последняя схема используется редко).

И возвращаясь к 1-й апно

Дизайн осциллятора - в лучшем случае несовершенное искусство. Следует использовать комбинации теоретических и экспериментальных методов проектирования.

Так что попробуйте свой [сначала в симе предпочтительно], а затем на реальной доске и посмотрите, стоит ли пытаться сохранить эту кепку.

И поскольку характеристики усилителя / драйвера имеют значение, обратите внимание на следующий совет из приложения ST :

Многие производители кристаллов могут проверить совместимость микроконтроллер / соединение кристаллов по запросу. Если спаривание признано действительным, они могут предоставить отчет, включающий рекомендуемые значения CL1 и CL2, а также измерение отрицательного сопротивления генератора.

И наконец, иногда специально вводится дисбаланс между этими колпачками , чтобы увеличить выходное напряжение генератора (для этого вам нужно сделать левее меньше), но это также увеличивает рассеиваемую мощность на xtal:

Я не считаю полезным рассматривать кристаллические конденсаторы подключенными последовательно. Они оба выполняют одинаковую работу, но действуют в разных частях цепи. Первый конденсатор (и самый важный) находится на обратной подаче обратно на вход инвертора:

В левой части рисунка выше показана эквивалентная схема кристалла 10 МГц вместе с конденсатором 20 пФ (C3) на землю. V1 является движущим источником, а справа я нанес частоту и фазу. Обратите внимание также на присутствие R2 (который я объясню ниже).

При частоте чуть более 10 МГц фазовый угол цепи очень близок к 180 градусам, и это важно, потому что кристалл управляется инвертором. Инвертор производит фазовый сдвиг на 180 градусов (он же инверсия), а кристалл и его внешние конденсаторы создают еще 180 градусов, следовательно, 360 градусов и положительную обратную связь.

Кроме того, чтобы поддерживать колебания, усиление должно быть больше 1. Что касается изображения выше, на очень чуть более 10 МГц схема создает усиление, т.е. H (s) больше 1, и колебание произойдет, если сеть произвела сдвиг фазы на 180 градусов. ,

Зачем добавлять дополнительный конденсатор на стороне привода кристалла?

Это не только предотвращает слишком сильное движение кристалла, но создает несколько дополнительных степеней сдвига фазы и позволяет колебаться схеме. Обратите внимание на резистор 100 Ом, обозначенный R2 - он ограничивает ток в кристалле, но дополнительный конденсатор к земле в этой точке добавит необходимый сдвиг фазы.

Многие схемы кварцевого генератора не показывают этот последовательный резистор, потому что он использует ненулевой выходной импеданс инвертора. Если у вас был относительно мощный инвертор (способный управлять многими десятками мА), тогда нужен резистор, и подумайте об этом - кто собирается наклеить 20 пФ на необработанный выход инвертора, не рассматривая последовательный резистор?

Связанный вопрос: проектирование генератора