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Por que um oscilador a cristal precisa de capacitores de carga para atingir sua frequência

Por que o cristal se importa com o que vê

Um cristal de quartzo usado como referência de frequência não é um ressonador simples que vibra em uma taxa fixa, não importa o que esteja conectado a ele. Seu datasheet especifica uma capacitância de carga, ou seja, a capacitância total que o circuito oscilador apresenta entre os dois terminais do cristal, e a frequência nominal só é precisa quando o circuito apresenta esse valor. Observe a linha de tolerância de frequência em qualquer datasheet de cristal e você normalmente verá uma condição de capacitância de carga impressa logo ao lado.

Na prática de bancada, isso importa porque o cristal é apenas uma parte da malha de realimentação. O chip oscilador ou o amplificador discreto, as trilhas e os pinos também somam capacitância e realimentam a malha, e os capacitores de carga são o ajuste que permite levar o total ao valor que o cristal espera. Sem eles, o cristal pode continuar oscilando, mas em uma frequência que depende do layout específico da sua placa.

A aritmética dos dois capacitores

A maioria dos osciladores a cristal usa dois capacitores de carga, um de cada terminal para o terra. Vistos a partir dos dois terminais do cristal, esses dois capacitores atuam em série, então o valor efetivo é o produto dividido pela soma. Some a capacitância parasita do circuito, que costuma ser de alguns picofarads, e você obtém a carga total: CL é igual a C1 vezes C2 dividido pela soma de C1 e C2, mais Cstray.

Veja um exemplo resolvido. Suponha que o datasheet peça uma carga de 18 pF e você estime cerca de 3 pF de capacitância parasita da placa e do chip. Você precisa que o par em série contribua com 15 pF. Se escolher C1 e C2 ambos em 30 pF, o valor em série será 30 vezes 30 dividido por 60, o que resulta em 15 pF. Somando os 3 pF parasitas, o total fica em 18 pF, o que coincide com o datasheet. Se você tivesse escolhido capacitores de 22 pF, o valor em série seria 11 pF, o total apenas 14 pF, e o cristal oscilaria alto porque enxerga menos carga do que foi projetado para.

Trate o valor parasita como uma estimativa. O layout, a capacitância dos pinos de entrada e saída do oscilador e qualquer ponta de prova ou fio que você conectar alteram esse valor. Por isso, os valores dos capacitores em um esquemático finalizado são um ponto de partida para a bancada, não uma resposta final.

O que dá errado quando a carga está incorreta

Se a capacitância de carga for baixa demais, o cristal enxerga uma reatância ligeiramente diferente da pretendida e a frequência sobe. Se for alta demais, a frequência desce. O desvio costuma ser pequeno, frequentemente de algumas partes por milhão por picofarad próximo à carga nominal, mas, para um clock que alimenta um enlace serial ou um temporizador que precisa ser preciso, alguns ppm podem representar um erro real. A sensibilidade também não é linear em toda a faixa, então o erro cresce quanto mais você se afasta do valor especificado.

A capacitância de carga também pode afetar se o oscilador chega a iniciar. O amplificador precisa fornecer ganho suficiente para vencer a resistência série equivalente do cristal, e capacitores de carga muito grandes reduzem o ganho de malha e podem tornar a partida lenta ou não confiável, especialmente com tensão de alimentação baixa ou em variação de temperatura. Valores muito altos também podem excitar o cristal além do nível de potência nominal, o que pode deslocar a frequência e reduzir sua vida útil. Mantenha-se dentro da faixa recomendada pelo datasheet e pela documentação do chip oscilador.

Medir sem se enganar

O erro mais comum na bancada é medir a frequência com uma ponta de prova que acrescenta sua própria capacitância. Uma ponta de osciloscópio 10x padrão tem cerca de dez a quinze picofarads de capacitância de entrada, o suficiente para tirar um cristal visivelmente da frequência. Use uma configuração de alta impedância e baixa capacitância, mantenha o cabo da ponta curto ou meça com um frequencímetro acoplado por um pequeno capacitor ou por um buffer de alta impedância. Seja qual for o método, meça a frequência e compare-a com a tolerância do datasheet, em vez de julgar por uma única leitura.

Complemente sua medição com uma verificação de sanidade dos valores dos capacitores. Se a frequência estiver fora e os capacitores de carga coincidirem com o cálculo do datasheet, desconfie de capacitância parasita do layout ou de uma incompatibilidade no próprio oscilador. Ajuste uma coisa de cada vez e anote cada valor que alterar, para saber qual mudança deslocou a frequência.