Перейти к содержанию

Отрицательное сопротивление генератора

Кварц теряет энергию на своём эквивалентном сопротивлении ESR, а усилитель генератора её восполняет. Эту способность описывают отрицательным сопротивлением: сколько сопротивления потерь генератор ещё способен «съесть». Оно должно быть в несколько раз больше ESR кварца.

Обновлено Редакция GAW

Отрицательное сопротивление генератора (negative resistance) — величина, показывающая, какое последовательное сопротивление потерь усилитель генератора ещё способен скомпенсировать. Кварц в генераторе ведёт себя как колебательный контур с сопротивлением потерь ESR; чтобы колебания не затухали, усилитель должен вносить «минус» сопротивление не меньше этого ESR. ST в AN2867 оговаривает, что название неточное: имеется в виду отрицательное «трансрезистивное» сопротивление — отношение изменения напряжения к изменению тока ΔU/ΔI, то есть по сути отрицательное дифференциальное сопротивление, а не отношение напряжения к току.

Коэффициент запаса

Отрицательного сопротивления, ровно равного ESR, мало: ESR разных экземпляров кварца разный, а крутизна усилителя падает с температурой и напряжением. Поэтому нормируют отношение:

Sf=∣Rотр∣ESR=RADD+ESRESR,S_f = \frac{|R_\text{отр}|}{ESR} = \frac{R_\text{ADD} + ESR}{ESR},

где RADD — наименьший добавочный резистор последовательно с кварцем, при котором генератор перестаёт запускаться или работать.

ДокументГенераторНадёжно
ST AN2867HSE (МГц)Sf ≥ 5
ST AN2867LSE (32 768 Гц)Sf ≥ 3, очень надёжно ≥ 5
Microchip AN2648часовой кварц AVR> 5 отлично, 4 очень хорошо, 3 хорошо

Измерение

Microchip в AN2648 называет это «тестом отрицательного сопротивления»: между выходом усилителя (XTAL2/TOSC2) и кварцем ставят переменный резистор, увеличивают его до срыва генерации и проверяют запуск после выключения питания. Сумма найденного резистора и ESR — допуск генератора (oscillation allowance). Ёмкость щупа и самого резистора сдвигают результат, поэтому подключения делают короткими.

Не путать с запасом по усилению — это та же надёжность запуска, но посчитанная заранее по крутизне усилителя из даташита. Схема генератора, выбор кварца и разводка — в статье «Кварцевый генератор микроконтроллера», конденсаторы и запас по крутизне считает калькулятор конденсаторов кварца.

Частые вопросы

Как измерить отрицательное сопротивление генератора?

Включить последовательно с кварцем переменный резистор и увеличивать его, пока генерация не сорвётся или перестанет запускаться после включения питания. Отрицательное сопротивление — это найденный резистор плюс ESR кварца. Microchip в AN2648 рекомендует повторять проверку с выключением питания, потому что запуск труднее поддержания.

Какой запас нужен?

ST в AN2867 считает надёжным коэффициент запаса не меньше 5 для высокочастотного генератора HSE и не меньше 3 для часового LSE. Microchip для часовых кварцев AVR оценивает 5 и больше как отличный результат, 3 — как хороший, меньше 3 — не рекомендует.

Почему сопротивление называют отрицательным?

Это неточное название: речь о наклоне вольт-амперной характеристики, а не об отношении напряжения к току. На участке, где рост напряжения вызывает уменьшение тока, цепь не потребляет, а отдаёт энергию переменного сигнала — так усилитель компенсирует потери в кварце.

Источники

  1. STMicroelectronics. AN2867: Guidelines for oscillator design on STM8AF/AL/S and STM32 MCUs/MPUs (Rev 24, February 2026) — разд. 2.1: «отрицательное сопротивление» — неточное название отрицательного трансрезистанса (negative transresistance), отношения ΔV/ΔI; отношение отрицательного сопротивления к наибольшему ESR кварца рекомендуется больше 5 для HSE и больше 3 для LSE; разд. 3.8: Sf = (RADD + ESR)/ESR, измерение резистором последовательно с кварцем (рис. 8), табл. 4
  2. Microchip. AN2648: Selecting and Testing 32.768 kHz Crystal Oscillators for AVR Microcontrollers (DS00002648D, 2022) — разд. 3.2: тест отрицательного сопротивления — переменный резистор между выходом усилителя и кварцем увеличивают до срыва генерации; OA = RMAX + ESR, SF = OA/ESR; SF > 5 — отлично, 4 — очень хорошо, 3 — хорошо, < 3 — не рекомендуется
  3. Microchip. AN826: Crystal Oscillator Basics and Crystal Selection for rfPIC and PICmicro Devices (DS00826A, 2002) — модель «одного порта»: генератор как активная цепь с отрицательным сопротивлением, компенсирующим потери резонатора

Нашли ошибку?

Смотрите также