Перейти к содержанию

Уровень возбуждения кварца

Кварцевая пластинка в генераторе механически колеблется и греется. Мощность, которую она рассеивает, называют уровнем возбуждения. Превысить предел из даташита — значит ускорить старение, сдвинуть частоту или вовсе расколоть кристалл.

Обновлено Редакция GAW

Уровень возбуждения (drive level, DL) — мощность, которую рассеивает кварцевый резонатор в работающем генераторе. Пластинка кварца колеблется механически, и энергия теряется на эквивалентном сопротивлении потерь ESR. ST в AN2867 даёт формулу через действующий ток через кварц:

DL=ESR⋅IQ2.DL = ESR \cdot I_Q^2.

Предел указывают в даташите кварца, обычно в микроваттах. У часовых кварцев 32 768 Гц предел на два порядка ниже, чем у кварцев на мегагерцы:

КварцТип.Макс.
Abracon ABM3, 8–54 МГц (основная гармоника)10 мкВт100 мкВт
Abracon ABS07, 32 768 Гц0,1 мкВт0,5 мкВт

Чем опасна перегрузка

Microchip в AN826 перечисляет последствия превышения уровня: ускоренное старение, уход частоты, растрескивание пластинки и отказ. Рекомендация обеих заметок одна: возбуждение держат на минимуме, достаточном для запуска и устойчивой работы. Проверять уровень стоит прежде всего у часовых кварцев: их предел в доли микроватта.

Ограничительный резистор

Если расчёт или измерение показывает перегрузку, между выходом генератора и кварцем ставят резистор REXT. ST предлагает начальное значение, равное реактивному сопротивлению выходного конденсатора: REXT = 1 / (2πF·CL2) — 1326 Ом для 8 МГц и 15 пФ. Резистор добавляется к ESR, поэтому после него обязательно пересчитывают запас по усилению, иначе генератор может перестать запускаться.

Не путать с амплитудой на выводе OSC_OUT: напряжение можно увидеть осциллографом, а уровень возбуждения — мощность в самом кварце, и щуп с ёмкостью больше 1 пФ уже искажает измерение. Что такое резонатор и его эквивалентная схема — в термине «Кварцевый резонатор», схема генератора и проверка — в статье «Кварцевый генератор микроконтроллера», подбор конденсаторов — в калькуляторе конденсаторов кварца.

Частые вопросы

Что будет, если превысить уровень возбуждения кварца?

По Microchip AN826 — ускоренное старение, уход частоты, растрескивание пластинки и в итоге отказ. Поэтому генератор должен давать ровно столько мощности, сколько нужно для надёжного запуска и поддержания колебаний.

Как измерить уровень возбуждения?

Измерить действующий ток через кварц токовым щупом и умножить его квадрат на ESR: DL = ESR · I². ST в AN2867 предлагает и способ через напряжение на выводе генератора — тогда нужен щуп с ёмкостью не больше 1 пФ, иначе он сам изменит режим.

Зачем резистор последовательно с кварцем?

Он ограничивает ток и уровень возбуждения. ST советует начинать с сопротивления, равного реактивному сопротивлению конденсатора на выходе генератора: для 8 МГц и 15 пФ это 1326 Ом. После установки резистора нужно заново проверить запас по усилению — резистор добавляется к ESR.

Источники

  1. STMicroelectronics. AN2867: Guidelines for oscillator design on STM8AF/AL/S and STM32 MCUs/MPUs (Rev 24, February 2026) — разд. 3.5: уровень возбуждения — мощность, рассеиваемая в кварце, ограничивается из-за избыточных механических колебаний; DL = ESR·IQ² по действующему току через кварц; щуп не больше 1 пФ; REXT = 1/(2πF·CL2), 1326 Ом при 8 МГц и 15 пФ; после добавления REXT пересчитать gmcrit с ESR + REXT
  2. Microchip. AN826: Crystal Oscillator Basics and Crystal Selection for rfPIC and PICmicro Devices (DS00826A, 2002) — Drive Level: перегрузка кварца вызывает ускоренное старение, уход частоты, растрескивание и отказ; уровень держат минимальным, достаточным для запуска и работы
  3. Abracon. ABM3 Ceramic SMD Crystal (revised 04-25-22) — уровень возбуждения 10 мкВт тип., 100 мкВт макс.
  4. Abracon. ABS07 32.768kHz SMD Crystal (revised 08-10-22) — уровень возбуждения 0,1 мкВт тип., 0,5 мкВт макс.

Нашли ошибку?

Смотрите также