Перейти к содержанию

Запас по усилению кварцевого генератора

Запустится ли кварц с данным микроконтроллером, можно проверить расчётом ещё до разводки платы: по параметрам кварца считают критическую крутизну, а затем сравнивают её с крутизной усилителя из даташита. Отношение этих двух чисел и есть запас по усилению.

Обновлено Редакция GAW

Запас по усилению кварцевого генератора (oscillator gain margin) — отношение крутизны усилителя генератора gm к критической крутизне gmcrit, наименьшей, при которой колебания с данным кварцем ещё поддерживаются. ST в AN2867 даёт формулу критической крутизны для генератора Пирса с одинаковыми конденсаторами:

gmcrit=4⋅ESR⋅(2πF)2⋅(C0+CL)2,запас=gmgmcrit≥5,g_\text{mcrit} = 4 \cdot ESR \cdot (2 \pi F)^2 \cdot (C_0 + C_L)^2, \qquad \text{запас} = \frac{g_m}{g_\text{mcrit}} \ge 5,

где ESR — эквивалентное последовательное сопротивление кварца, C0 — его собственная ёмкость, CL — нагрузочная ёмкость, F — частота. Все четыре числа берут из даташита кварца, gm — из даташита микроконтроллера.

Пример

В AN2867: STM32F1 с крутизной HSE 25 мА/В и кварц Fox 8 МГц — ESR 80 Ом, C0 7 пФ, CL 10 пФ. Критическая крутизна 0,23 мА/В, запас 107 — генератор запустится с большим запасом. Для часовых кварцев картина иная: у LSE STM32F103 крутизна не меньше 5 мкА/В, а у кварца 32 768 Гц вроде Abracon ABS07 ESR до 70 кОм. По нашему расчёту при CL 12,5 пФ запас около 2, поэтому ST в даташите DS5319 советует часовые кварцы с CL не больше 7 пФ.

Генератор STM32F103gm (мин.)Типичный кварцЗапас
HSE 4–16 МГц25 мА/В8 МГц, ESR 80 Ом107 (пример AN2867)
LSE 32 768 Гц5 мкА/ВESR 70 кОм, CL 6–7 пФ5–8 (наш расчёт при C0 1,2–2 пФ)

Как читать

Формула показывает, что сильнее всего на запуск влияют частота и ёмкость: обе входят в квадрате. Добавочные конденсаторы «для надёжности» запас уменьшают. Новые STM32 вместо gm указывают Gm_crit_max — наибольшую критическую крутизну кварца, которую генератор ещё запустит; тогда проверяют gmcrit < Gm_crit_max.

Не путать с отрицательным сопротивлением и коэффициентом запаса Sf: это тот же запас, но измеренный на готовой плате. Схема и выбор кварца — в статье «Кварцевый генератор микроконтроллера», расчёт конденсаторов и запаса — в калькуляторе конденсаторов кварца.

Частые вопросы

Как проверить, запустится ли кварц с STM32?

Посчитать критическую крутизну по даташиту кварца — gmcrit = 4·ESR·(2πF)²·(C0 + CL)² — и разделить на неё крутизну генератора gm из даташита микроконтроллера. Если получилось больше 5, ST считает генератор надёжным. В новых STM32 вместо gm дают Gm_crit_max — тогда достаточно, чтобы gmcrit кварца был меньше него.

Почему часовой кварц на 12,5 пФ может не запуститься?

Критическая крутизна растёт как квадрат (C0 + CL). У LSE STM32F103 крутизна всего 5 мкА/В, и с кварцем 32 768 Гц на 12,5 пФ запас по расчёту около 2 — меньше требуемого. Поэтому ST в даташите прямо советует брать часовые кварцы с CL не больше 7 пФ.

Что делать, если запас мал?

Взять кварц с меньшим ESR, меньшей нагрузочной ёмкостью или меньшей C0, а у генераторов с настраиваемой силой — включить более сильный режим. Добавлять ёмкость, наоборот, вредно: она увеличивает gmcrit.

Источники

  1. STMicroelectronics. AN2867: Guidelines for oscillator design on STM8AF/AL/S and STM32 MCUs/MPUs (Rev 24, February 2026) — разд. 3.4: gmcrit = 4·ESR·(2πF)²·(C0 + CL)²; gainmargin = gm/gmcrit > 5 или Gm_crit_max > gmcrit; крутизна HSE — около десятка мА/В, LSE — от единиц до десятков мкА/В; пример: STM32F1, gm 25 мА/В, кварц Fox 8 МГц, ESR 80 Ом, C0 7 пФ, CL 10 пФ → gmcrit 0,23 мА/В, запас 107
  2. STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB datasheet (DS5319 Rev 20, July 2025) — табл. 22: HSE gm не меньше 25 мА/В; табл. 23: LSE gm не меньше 5 мкА/В, предупреждение — кварцы с CL 12,5 пФ не использовать, брать CL не больше 7 пФ
  3. Abracon. ABS07 32.768kHz SMD Crystal (revised 08-10-22) — CL 12,5 пФ стандартно, варианты 9, 7 и 6 пФ; ESR не больше 70 кОм; C0 0,9–1,2 пФ тип., 2,0 пФ макс.

Нашли ошибку?

Смотрите также