La taille compte-t-elle vraiment? Impact de la réduction de la taille des cristaux sur la conception
Posted: 16th January 2023
La tendance à la miniaturisation se poursuit dans l'industrie de l'électronique. Les technologies portables, les appareils domestiques intelligents, les applications automobiles électroniques, sont tous des exemples d'applications qui réclament des composants de plus en plus petits. Tous les fabricants de composants électroniques travaillent à réduire encore plus les composants qu'ils proposent. Toutefois, leur intégration peut poser des problèmes. Ce blog aborde l'impact de la réduction des cristaux de quartz sur la conception afin d'aider les concepteurs à résoudre certaines de ces problématiques.
Tout d'abord, il faut savoir que plus un cristal est petit, plus la fréquence de résonance est élevée. Concernant le quartz, la relation entre l'épaisseur de l'ébauche et la fréquence de résonance est inversement proportionnelle. C'est-à-dire que plus l'ébauche est mince, plus la fréquence augmente. À l'inverse, cela signifie qu'on a besoin d'une ébauche plus épaisse pour obtenir une fréquence inférieure. Les boîtiers étant également plus fins, il est dorénavant physiquement impossible de proposer des fréquences inférieures à 16 MHz pour les boîtiers de 2,0 x 1,6 ou à 24 MHz pour les boîtiers de 1,6 x 1,2 mm. Ce fait doit être pris en compte lorsque l'on veut réduire la taille d'un boîtier.
Une autre caractéristique des cristaux plus petits est un ESR (Equivalent Series Resistance) supérieur. L'ESR d'un cristal dépend de plusieurs paramètres tels que la fréquence, la taille du cristal, la taille de l'électrode et la structure de montage. Mais en général, plus le cristal est petit, plus l'ESR est élevé. On devra donc tenir compte de l'ESR dans la phase d'évaluation de l'intégration pour pouvoir garantir une oscillation stable. Une oscillation stable se caractérise par un facteur de sécurité de 5 ou plus. Le facteur de sécurité, souvent appelé rapport de résistance négative, est défini par le rapport de résistance négative à l'ESR. La formule de calcul du rapport de sécurité est en (1).
La résistance négative dans le circuit peut être mesurée en montant un potentiomètre en série avec le cristal comme illustré en 1. La résistance du potentiomètre doit être augmentée jusqu'à ce le cristal arrête d'osciller, la valeur de résistance indiquant le RADDmax. Avec le RADDmax et l'ESR maximum du cristal, on peut calculer la résistance négative et le facteur de sécurité.
Quand l'ESR augmente, le facteur de sécurité diminue. En conséquence, on ne peut plus garantir la sûreté de l'oscillation du cristal (SF ‹ 5). Cela peut facilement se produire si on remplace un plus gros cristal par un cristal plus petit dans un boîtier plus ancien.
Illustration 1: Schéma d'un circuit avec RADD
Mais que peut-on faire pour améliorer le facteur de sécurité tout en garantissant une oscillation stable ? Le plus facile pour améliorer la résistance négative, et donc le facteur de sécurité, consiste à abaisser Ca et Cb. Quand on abaisse Ca et Cb, RADD augmente jusqu'au point d'arrêt de l'oscillation. Ceci entraîne une amélioration de la résistance négative et augmente le facteur de sécurité. C'est pourquoi les petits cristaux sont généralement vendus avec des capacités de charge inférieure. Donc, si l'on envisage de remplacer un cristal de plus grande taille par un petit cristal, on doit aussi changer les condensateurs.
On ne doit pas non plus oublier l'équilibrage quand on abaisse Ca et Cb. Nous avons déjà parlé de la capacité de charge et de l'équilibrage en général dans l'un de nos derniers blogs. Normalement, on peut dire que l'équilibrage est plus important avec des cristaux de plus grande taille, ceci à cause de la taille du bloc et de l'électrode. En outre, l'équilibrage est plus important lorsque qu'on diminue la capacité de charge dans un circuit. Donc, lorsqu'on revoit la conception d'un circuit pour y intégrer un cristal plus petit, on pourrait donc s'attendre à ce que l’équilibrage soit inférieur et la fréquence plus stable. Mais, comme nous l'avons appris plus haut, pour maintenir la résistance négative et le facteur de sécurité dans un circuit, on doit réduire la capacité de charge et, en conséquence, l'équilibrage augmente. L'équilibrage reste donc globalement le même ou augmente lorsqu'on remplace un cristal de plus grande taille par un petit cristal. Ainsi, il est important de choisir les bons condensateurs pour Ca et Cb et d'évaluer la capacité de charge correcte dans les circuits pendant la phase d'intégration d'un petit cristal. C'est le seul moyen de garantir que l'oscillation du cristal reste dans la plage spécifiée.
En savoir plus sur notre chaîne YouTube dans notre présentation "Quartz Crystal Downsizing - Does Size Really Matter?"
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