Kristal Yük Kapasitansı
Mikroişlemci veya Mikrodenetleyici kullanılan tüm sistemlerde kullanılan kristallerin yük kapasitansları hakkında bir şeyler yazalım istedim. CPU & MCU ‘ların bir anlamda kalp atışı diyebileğimiz sinyalleri üretmek için temelde 2 tip sinyal üreteci kullanılır.
1) Mekanik rezonans bileşenleri (Kristaller / Osilatörler)
2) Elektriksel faz kaydırma devreleleri (RC/LC Osilatörler)
Bu yazı ile detaylı bir osilatör bilgilendirmesi yapılmayacaktır. Belki farklı bir yazının konusu olabilir. Ancak kristal konusuna geçmeden mekanik rezonatörler hakkında kısa bir bilgi paylaşalım. Öncelikle kristal ve osilatör arasındaki temel fark nedir buna bakalım. Kristal, bir MCU, CPU veya Osilatör Çipi devresine bağlanarak sinyal üretebilen pasif bir bileşendir. Osilatör ise içinde kristal elemanını, yük kapasitörlerini ve osilatör çipini barındıran entegre bir aktif çözümdür. Maliyet ve tasarımın gereksinimlerine uygun olarak seçim yapılabilir. Aşağıda her iki sisteme ait görseller paylaşılmıştır.
Kristal Yük Kapasitansı
Bir osilatördeki yük kapasitansı, giriş ve çıkış kapasitansının ve devredeki kaçak kapasitansın (Cstray) bileşik kapasitif etkisini ifade eder. Rezonans frekansını ve kararlılığını etkiler ve de faz gürültüsünü belirler. Yük kapasitörlerinin değeri kristalin belirtilen yük kapasitansıyla (CL) eşleştirilmelidir. Oluşacak bir uyumsuzluk veya yük kapasitörleri arasındaki bir değişiklik, osilatörün doğruluğunu etkileyen bir rezonans kaymasına (ppm) neden olur. Bu durum kristalin işlevselliği açısından hayati önem taşır. Yük kapasitörlerinin kristalin özellikleriyle hassas bir şekilde eşleştirilmesi, salınım devresinin düzgün çalışmasını ve yüksek hassasiyetini sağlamak için kritiktir. Tercih edilen kristalin özellikleri arasında bu parametrelere dikkat edilmelidir.
Kristal Yük Kapasitansı Konusunda Yanlış Uygulamalar
Yük kapasitansı kullanımı konusunda üç yaygın hatalı uygulama mevcuttur;
1. Harici kapasitörleri ile yük kapasitansının (CL) birebir aynı değerlerde kullanılması:
Görseldeki gibi kristal yük kapasitansı 20 pF olarak kabul edilirse, her iki harici kapasitörün (C1 & C2) değerinin 20 pF olarak belirlenmesi durumudur. Aşağıda vereceğimiz hesaplama tekniği kullanıldığında bu değerin olması gerekenden düşük kalacağı görülür. Bu da istenmeyen bir rezonans elde edilmesine yol açacaktır.
2. Harici kapasitörlerin toplamının yük kapasitansına eşitlenmesi:
Bir diğer yanlış, iki harici kapasitör değerlerinin toplamının kristal yük kapasitansına eşit olacak şekilde tasarlanmasıdır. Bu da olması gerekenden daha düşük bir kapasite anlamına gelir ve bu da istenmeyen bir rezonans elde edilmesine yol açar.
3. Hazır tasarım üzerinden ilerlemek ;
Çoğu tasarımcı başka bir şema üzerinden buldukları tasarımı kopyalayıp tasarımına ekler. En klasik olanları 12MHz kristal ve 22 pF kapasitör setidir. Sanki 12 Mhz kristal kullanınca 22 pF harici kapasitörler her zaman uyumlu olacakmış gibi bir hataya düşülür. Ne yazık ki, kristalden doğru ve kararlı sonuçlar almak isteniyorsa kapasitörleri seçtiğiniz belirli kristalle doğru eşleştirmeniz gerekir. Aynı üreticide bile modelden modele bu durum değişim gösterebilir. Neyse ki, kristaliniz için doğru kapasitörleri hesaplamak basittir.
Bu hatalı uygulamalar devre tasarımında önemli sorunlara yol açabilir. Tüm faktörleri göz önünde bulundurmadan yalnızca kristalin veri sayfasına dayanarak kapasitör seçmek beklenmedik frekans sapmalarına yol açabilir, devrenin hassasiyetini ve işlevselliğini etkileyebilir. Hatalı harici kapasite seçimi hemen arızaya yol açmasa da zamanla öngörülemeyen sorunlara neden olarak sistemin genel performansını ve güvenilirliğini zayıflatabilir.
Doğru Kapasitör Seçimi Nasıl Yapılır?
Kristal yük kapasitansının önemini anladığımıza göre doğru harici kapasitör seçiminin nasıl yapılacağına değinelim. Osilatör devresinin kararlılığı için sistemi etkileyen tüm kapasitif etkilerin dikkate alınması önemlidir. Bunlar;
a. Kaçak kapasitans (Cstray)
b. Mikrodenetleyicinin veya osilatör çipinin giriş ve çıkış kapasitansı
c. Kullanılacak olan kristali yük kapasitans değeri (CL)
d. Yine kullanılacak olan harici kapasitörlerin toleransları
Asıl mesele gerçek bir devre olmadan kaçak kapasitansı (Cstray) bulamayacağınızdır. Tasarımınızdada öncelikle kaçak kapasitansı tahmin ederek çalışmalısınız. Bu değer genellikle 3 -7pF arasında bir değer olarak belirlenebilir. Elektronik devre tamamlandıktan sonra yapılacak ölçümlere göre tasarım tekrar optimize edilmelidir. Bu bilgiler ışığında aşağıdaki formülü kullanarak iki harici kapasitörün (C1-C2) değerleri hızlıca belirleyebilirsiniz.
CL = (C1 * C2) / (C1 + C2) + Cstray
C1 ve C2 için aynı değerin kullanıldığı varsayılarak denklem şu şekilde yeniden yazılabilir:
C1 = C2 = 2 * (CL — Cstray)
Örnek :
8 MHZ bir kristalimizin CL değeri 20 pF olsun. Kristalimizin PCB bağlantısından gelen kaçak kapasitans (çip takılı iken) ise 4 pF olsun.
C1 = C2 = 2 * (20 pF — 4 pF)
C1 = C2 = 32 pF
Sonuç olarak;
Tasarımınız için gerekli olan doğru saat darbe üretecini seçmek tümüyle gereksinimlerinize bağlıdır. Tasarımınız görev kritik uygulamalar veya ve seri haberleşme gibi zaman kritik uygulamalar içeriyorsa darbe üretici tercihinizi kristal veya kristal içerikli osilatörlerden yana kullanmalısınız. Kristal tercihinde bulunmuşsanız, ister deneyimli bir elektronik mühendisi olun, ister bir amatör, yük kapasitansının inceliklerini kavramak başarılı devre tasarımı için elzemdir.
Esen Kalın,
ugurtarlaci@yahoo.com
