Varför min kristall inte startar och hur det oväntat nog hänger ihop med MCU:n själv

Som vi alla känner till ska den första insignalen till MCU eller MPU efter att den slås på vara en klockkälla.

Det finns flera alternativ för att mata en MCU med en extern klockkälla: RC-kretsar, keramiska resonatorer, kristaller (även kallade kvartskristaller), kristalloscillatorer och silikon/MEMS-oscillatormoduler.

Den optimala klockkällan för en tillämpning beror på många faktorer inklusive kostnad, precision, effektförbrukning, miljöparametrar osv.

Här vill jag ta upp användningen av keramiska resonatorer eller kristaller (av enkelhetsskäl är en keramisk resonator i själva verket kristallen med inbyggda kondensatorer, men kvartskristaller har högre precision och är mer temperaturstabila än keramiska resonatorer). Ibland kallas kristallerna XTAL.

Kristaller används mycket i kostnadskänsliga tillämpningar på grund av att de helt enkelt är relativt billiga. De har dock även bra precision och hög frekvensstabilitet och används i många tillämpningar där kostnaden inte är huvudsaken.

Många MCU-leverantörer har egna bruksanvisningar som vägleder konstruktörerna i hur de ska ansluta kristallen till MCU, hur de väljer rätt värden för kondensatorerna och motståndet, förklarar PCB-layoutproblem osv.

Efter designprocessen, provningen och fälttesterna är du nöjd och har skapat en bra konstruktion. Allt fungerar som det ska och produkten tas i produktion normalt hos kontraktstillverkaren (CM) någonstans i världen.

Och sen, efter 6 månader eller flera år ringer kontraktstillverkaren om att produkten inte klarar en funktionskontroll efter monteringsprocessen. Efter en undersökning, som tar tid, får du reda på att det beror på att kristallen inte startar och att MCU inte går.

Du kliar dig i huvudet och undrar: "Vad är det som händer"? Du hade redan glömt den här produkten och är djupt engagerad i en ny. Du minns inte vad som hade utformats här, konstruktören arbetar inte längre på företaget och givetvis har du inte tid – en riktig knipa!

Det här änder inte ofta. Jag känner till ett dussin fall under de senaste 10 åren, men jag antar att det finns flera fall som jag inte känner till.

Problemet är i själva verket inte kristallen utan MCU och processen som kallas insatskrympning. Tanken med att krympa en insats är att skapa en identisk krets med halvledar-IC:n med en mer avancerad tillverkningsprocess och minska transistor/grindstorleken och avståndet till kopplingarna. Genom insatskrympningen kan fler processorinsatser tillverkas på samma kiselplatta, vilket ger et lägre produktpris per enhet.

Insatskrympning har också fördelen att när en insats krymps så minskas strömmen som används av varje transistor samtidigt som chippet behåller samma klockfrekvens. Resultatet är en produkt med lägre strömförbrukning och ökad klockfrekvens. Det gör det även möjligt för återförsäljarna att implementera ytterligare funktioner för IC:n som inte kunde implementeras före insatskrympningen.

Insatskrympningar är nyckeln till at förbättra förhållandet mellan pris och prestanda på halvledarföretag och det sker en gång per period. Den här perioden kan vara en gång per år eller en gång under flera år.

Figur 1: Motsvarande elektrisk krets som en kristall

Det som dock inte förändras i insatskrympningsprocessen är själva paketet där insatsen monterats. Avståndet mellan insatsplattan och paketstiften blir längre. När spårlängden mellan plattan och stiftet blir "längre" elektriskt påverkar det lastens impedans och resistans (ESR) och de snabbare elektronhastigheterna i den krympta insatsen påverkar induktansen.

Ju större paket en MCU har desto fler risker att den kan påverkas av insatskrympning. Kristallen beter sig som en RLC-krets och utan att fördjupa oss i beräkningar kan dessa R-, L- och C-parametrar efter insatskrympningsprocessen påverka värdet hos de kondensatorer och/eller motstånd som har valts och testats under det inledande konstruktionssteget före insatskrympningen.

Det här fenomenet liknar situationen när din kristall inte startar under designprocessen. När du vill kontrollera vad som pågår och vidrör stiften med oscilloskopets sonder börjar den plötsligt oscillera. Sonden lägger till ytterligare marginell kapacitans som kan saknas för att starta kristallen.

Så vad är lösningen?

Det är inte mycket som kan göras när det här problemet uppstår utan det viktigaste är att vara medveten om problemet. Som brandmännen säger är det bästa sättet att släcka en brand att undvika den. Så om ett tillägg på 20–40 cent på den totala systemkostnaden är acceptabel är rekommendationen att använda en enkel kristalloscillator istället för en kvartskristall. Kristalloscillatorer är en helt integrerad lösning. Oscillatortillverkarna matchar kvartsresonatorn med oscillatorkretsen och därigenom slipper kortkonstruktören den uppgiften. Kristalloscillatorer har dessutom många andra fördelar som robust drift, lägre känslighet för EMI och vibrationer och garanterad star – för att bara nämna några av dem.

En annan lösning är underhåll. Majoriteten av de tillförlitliga återförsäljarna utfärdar en PCN när de utför någon förändring på delen inklusive insatskrympningen. Några av dem lägger till och med ett extra suffix till artikelnumret för att skilja mellan de insatsändrade delarna. Så genom att övervaka PCN:erna för en insatskrympning kan konstruktören ta kortet med den gamla utformningen och en ny insatskrympt MCU och testa avseende korrekt funktion igen i förväg. Om ett problem upptäcks kan produkten modifieras för att undvika eventuella oförutsedda problem i sista minuten vid masstillverkning, framförallt om tillverkningen sköts av kontraktstillverkaren i ett annat land eller på en annan plats.