STM32マイクロコントローラに水晶を組み込む際の考慮事項

SMT32 MCU水晶発振器の設計に影響を与える仕様パラメータ

1. 起動 - 起動パフォーマンスは、2つの方法で評価できます。1つ目は、環境条件下でアプリケーション内で発振器が一貫して起動するかどうか、2つ目は、電源投入時に起動するまでにどのくらいの時間がかかるかです。起動に影響するデータシートのパラメータは、CL、ESR、およびC0です。これらのいずれかを低くすると、ゲインマージンが向上し、起動が改善されます。より詳細な説明は、ゲインマージンを扱うセクション5で説明します。

図1 – 発振器の起動

図1は、0Vからの典型的なVddの上昇と、発振器の閉ループ ゲインがユニティ ゲインに達するまで増加し、発振器ループが安定して共振器周波数にロックする様子を示しています。0Vから安定発振開始までの時間を起動時間と表記します。

2. コスト - 大量生産量は、水晶共振器を構成するすべてのBOM項目の世界市場に影響を与えます。3.2 x 1.5 mmサイズは現在最も多く販売されているため、このサイズの価格は非常に競争力があると考えられます。ECSは、STM32リファレンス デザインとしてこのサイズで最大の選択肢を持ち、20のオプションを備えています。一般的にサイズは小さくなる傾向にあり、次に使用されるオプションは2.0 x 1.2 mmです。パッケージサイズをさらに縮小するとコストが増加します。

3. パッケージ サイズ - 前述のように、モバイル ワイヤレス ソリューションの推進により、パッケージ サイズはより小さくなる傾向にあります。ECS Incは、すべてのSTM32 MCUの参照部品番号を備えた、業界で最も幅広い時計用クリスタルの品揃えを提供しています。これらは1.2 x 1.0 mmから8.0 x 3.8 mmの範囲です。パッケージ サイズによって制約が異なり、主要なパラメータの1つがESRです。水晶ブランクのサイズにより、パッケージ サイズが小さくなるとESRが増加し、これが水晶のgm_critに影響します。ESC選択ツールはここで役立ち、設計者はこれらの考慮事項を行うことができます。

4. 許容範囲 – ほとんどの設計では、標準の20 ppm許容範囲の水晶が求められます。許容範囲は、25°Cで製造時に測定されたppm範囲です。一部のアプリケーションでは、より厳しい許容範囲が重要になりますが、この場合もECS選択ツールがオプションの範囲を絞り込むのに役立ちます。

5. ドライブ レベル – ドライブ レベルは、スペクトルの両端で満たす必要がある重要なパラメーターです。低すぎると水晶は起動せず、高すぎると水晶が損傷したり、発振器ループが飽和してループゲインが1未満に低下し、発振器が停止する可能性があります。
1. 低ドライブ - ECS選択ツールには、選択されたドライブ レベルまたは標準ドライブ レベルの特定のSTM32プロセッサに対してゲイン マージンが5以上のすべての部品がリストされます。これにより、クリスタルが起動することが保証され、これが最優先事項となります。ECS選択ツールは、設計者がこの必須要件を満たすのに役立ちますが、その後オプションを検討することもできます。実際のgm_critを低く設定すると、水晶を流れる駆動電流が低くなり、消費電力も少なくなります。ii.高駆動 - もう一方の極端なケースは、水晶と発振器ループが耐えられる以上の駆動です。一部のSTM32 MCUにはHIGH DRIVE設定が構成可能なものがあり、これらの場合は12.5pF CLクリスタルを使用することをお勧めします。
2. 高駆動 - もう一方の極端なケースは、水晶と発振器ループが耐えられる以上の駆動です。一部のSTM32 MCUにはHIGH DRIVE設定が構成可能なものがあり、これらの場合は12.5pF CLクリスタルを使用することをお勧めします。

図2 – ドライブレベルSTM32 MCUの考慮事項


3. 上記の図2はSTM32 AN2867から抜粋したもので、異なるドライブ レベルを使用する際に考慮すべきいくつかの妥協点を示しています。多くの場合、低消費電力はハンドヘルド アプリケーションやワイヤレス接続アプリケーションの主な要因となります。グラフは、中程度から低い駆動レベルで6pF以下のCLを選択することが、これらのアプリケーションの開始点であることを示しています。ECS選択ツールはこれを調整するのに役立ちます。たとえば、F0 Medium Lowを選択すると、6pFから4pFまでのCLの範囲を選択できます (Ctrl + 選択)。次に、サイズとESRを選択してさらに調整し、最適なソリューションを見つけることができます。
4. CL値が低いほど、引き抜き性が向上することを覚えておいてください。したがって、コンデンサの許容誤差などの設計上のばらつきにより、製造時の精度が低下したり、ばらつきが大きくなる可能性があります。これらの低いCL結晶は、ノイズの多い環境に対しても脆弱です。これが適切な回避策である場合、ECSは業界で最も低いESRを提供します。
5. 低電力が主な要因でない場合は、CL値が高いほど、ノイズの多い環境に対する堅牢性が高まります。MCUハイドライブが実装されているこのような場合には、12.5pF CLが推奨されます。これにより、発振器の閉ループが飽和しにくくなります。この飽和状態は、正弦波が電源レールに近づくと発生し、閉ループ内のアンプが正弦波のピークを平坦化（クリップ）し、突然、小信号ゲインが瞬時にゼロに低下します。これは、出力振幅が増加し、非線形性によって平均小信号ゲインが1に減少し、発振が継続できるようになるまで回復しません。バルクハウゼン基準を思い出してください。最初の条件は、ループ ゲイン (Aβ) の大きさが1でなければならないということです。
6. したがって、オーバードライブは振動の安定性に問題があり、振動がない、またはジッターが高くなるという形で現れます。同様に、クリスタルを通り抜けるドライブも考慮する必要があります。仕様には最大駆動レベルの詳細が記載されており、これらの基準を超えていないことを確認するためにテストを行う必要があります。

6. AEC-Q200オプション – 自動車グレード (AEC-Q200) は、設計者が水晶を選択する際に必要となる、もう1つの必須オプションです。ECSには、パッケージ サイズ2.0 x 1.2 mm (12Qシリーズ) および3.2 x 15 mm (34Qシリーズ) で利用できる幅広い仕様オプションがあります。これらの一部は、ECS選択ツールを使用して見つけることができますが、Distributionではより幅広い選択肢も利用できます。これらの部品のgm_critを理解するためにサポートが必要な場合は、ECSが喜んでサポートいたします。

発振器ループの用語の説明

1. Inv: プロセッサ内部で増幅器として機能する内部インバータ
2. XTAL: 水晶またはセラミック共振器
3. Rf: 内部フィードバック抵抗
4. Rs: インバータの出力電流を制限するための外部抵抗
5. C1とC2: 2つの外部負荷容量
6. Cs: 浮遊容量は、マイクロコントローラのピン容量 (OSC_INとOSC_OUT) とPCB (寄生) 容量の合計です。
7. gm: トランスコンダクタンス。小信号の場合はgm = iout / gm_crit
8. ゲインマージンまたは（安全係数）：ゲインマージン = gm / gmcrit、
9. 9gm_crit max = 4 x ESR x (2πF)² x (C0 + CL)²、水晶データシートの最大パラメータを使用します。
10. gm_crit実際 = gm_actual = 4 x ESR x (2πF)² x (C0 + CL)²、実際の水晶測定パラメータを使用します。

図3 – 典型的なピアス発振器ループを示しており、STM32 MCU LSE水晶発振器に共通です。

LSE発振器の外部コンデンサの計算

図3 – 外部コンデンサを示すピアス発振器ループ

外部コンデンサは発振器ループの設計に不可欠な部分です。MCUの合計容量C1 // C2、Cs、Cin、Coutがすべて結合して合計容量になります。周波数を32.768KHzにできるだけ近づけるには、これをCrystal CLと同じにする必要があります。

CLの計算方法は次のとおりです: CL = ((Cin + C1) (C2 + Cout) + Cs) / (Cin + C1 + C2 + Cout)

式には、MCUのCinとCoutが含まれます。CinはMCUデータシートに記載されており、Coutは通常Cinの約2倍になります。

水晶のCLが低いほど、Cs (ボード浮遊物) がコンデンサの計算に与える影響が大きくなります。セクション4e iiiで述べたように、低CLは低駆動アプリケーションで使用できますが、低いCLの方が引き込み性が高くなります。この式を使用すると、外部コンデンサまたはボードの浮遊容量の変動によって周波数がどのように変化するかがわかります。外部コンデンサを検討する場合は、温度による静電容量の変化の影響を最小限に抑えるために、COG NPO 1% タイプを使用してください。