Por qué no arranca mi cristal y cómo se relaciona, sorprendentemente, con la propia MCU

Bueno, como todos sabemos, la primera entrada básica que la MCU o MPU debe recibir después de que se enciende es una fuente de reloj.

Hay varias opciones para alimentar una MCU con una fuente de reloj externa: Circuitos RC, resonadores cerámicos, cristales (también conocidos como cristales de cuarzo), osciladores de cristal y módulos de osciladores de silicio/microsistema electromecánico (MEMS).

La fuente de reloj óptima para una aplicación depende de muchos factores, como el costo, la precisión, el consumo de energía, los parámetros ambientales, etc.

Quiero analizar aquí el uso de los resonadores cerámicos o cristales (para simplificar, un resonador cerámico es en realidad el cristal con capacitores incorporados, aunque los cristales de cuarzo son más precisos y estables en temperatura que los resonadores cerámicos). A veces los cristales se denominan XTAL.

Los cristales son ampliamente utilizados en aplicaciones sensibles a los costos debido a la obvia razón de ser bastante económicos. Sin embargo, también tienen precisión y estabilidad de alta frecuencia, y se utilizan en muchas aplicaciones en las que el costo no es un problema principal.

Muchos proveedores de MCU tienen sus propias Notas de aplicación que guían a los diseñadores sobre cómo conectar correctamente el cristal a la MCU, cómo elegir los valores correctos para los capacitores y las resistencias, explicar las preocupaciones de la disposición de placa de circuito impreso (PCB), etc.

Eventualmente, al final del proceso de diseño, tests y pruebas de campo, usted está de acuerdo con un diseño de “buena ingeniería”. Todo está funcionando bien, y el producto va a la producción por lo general con el fabricante contratado (CM) en algún lugar del mundo.

Y después de un tiempo, que puede ser de 6 meses o varios años, recibe una llamada de su CM donde se le avisa que el producto no pasa una prueba de funcionamiento después del proceso de ensamblaje. Después de la investigación, que lleva tiempo, se descubre que la razón es que el cristal no arranca y la MCU no está funcionando.

Se rasca la cabeza y piensa: “¿Qué demonios está pasando aquí?”. Ya se había olvidado de este producto, está profundamente involucrado en uno nuevo, no recuerda lo que allí se diseñó, el diseñador ya no trabaja para usted y, por supuesto, no tiene tiempo; ¡un verdadero desastre!

Este fenómeno no ocurre a menudo. Estoy al tanto de una docena de casos en los últimos 10 años, pero supongo que hay más casos de los que no estoy al tanto.

En realidad, la razón no es el cristal, sino… la MCU y el proceso que se conoce como “reducción de molde”. Como definición básica, el acto de reducir un molde es crear un circuito idéntico al CI semiconductor mediante el uso de un proceso de fabricación más avanzado y reducir el tamaño del transistor o de la puerta y la distancia de las interconexiones. El proceso de reducción de molde permite que se fabriquen más moldes de procesador en la misma pieza de oblea de silicio, lo que resulta en un menor costo por producto.

La reducción de los moldes también es beneficiosa para los usuarios finales, ya que la reducción de un molde disminuye la corriente utilizada por cada transistor y mantiene al mismo tiempo la misma frecuencia de reloj de un chip. Esto da como resultado un producto con un menor consumo de energía y una mayor velocidad de reloj. También permite a los proveedores implementar características adicionales del CI que no pudieron ser implementadas antes de la reducción del molde.

La reducción del molde es la clave para mejorar el precio y rendimiento en las empresas de semiconductores, y esto ocurre una vez al año. Este período puede ser una vez al año o una vez cada varios años.

Figura 1: El circuito eléctrico equivalente de un cristal

Pero lo que no cambia en este proceso de “reducción de moldes” es el propio paquete en el que se monta el molde. La distancia entre la base del molde y las clavijas del paquete es mayor. Cuando la longitud de trazo entre la base y la clavija se vuelve eléctricamente “más larga”, afecta a la impedancia y resistencia (ESR) de la carga, y las velocidades más rápidas de los electrones en el molde reducido afectan a la inductancia.

Cuanto más grande sea el paquete de una MCU, más posibilidades hay de que se vea afectada por la reducción de un molde. El cristal se comporta como un circuito RLC, y sin sumergirse en los cálculos, estos parámetros R, L y C después del proceso de reducción del molde pueden afectar el valor de los capacitores o las resistencias que fueron seleccionados y probados durante la etapa de diseño inicial antes de la reducción del molde.

Este fenómeno es similar a la situación cuando, durante el proceso de diseño, su cristal no arranca. Sin embargo, cuando desea comprobar lo que está sucediendo y tocar las clavijas con las sondas del osciloscopio, de repente comienza a oscilar. La sonda agrega capacitancia marginal adicional que podría faltar para arrancar el cristal.

Entonces, ¿cuál es la solución?

En realidad, no se puede hacer mucho cuando ocurre este problema, pero la primera importancia es la conciencia del problema. Además, como el bombero solía decir, “la forma más rápida de extinguir el fuego es prevenirlo”. Por lo tanto, si agregar otros 20 a 40 centavos al costo total del sistema puede ser tolerable, la recomendación es usar un simple oscilador de cristal en lugar de un cristal de cuarzo en sí mismo. Los osciladores de cristal son una solución completamente integrada. Los fabricantes de osciladores hacen coincidir el resonador de cuarzo con el circuito del oscilador y así liberan al diseñador de la placa de la carga correspondiente. Además, los osciladores de cristal tienen muchos otros beneficios, como un funcionamiento eficiente, menor sensibilidad a EMI y vibración, y una puesta en marcha garantizada, por mencionar solo algunos de ellos.

Otra solución es el mantenimiento. La gran mayoría de los proveedores fiables emiten un PCN cuando realizan cualquier cambio en la pieza, incluida la reducción del molde. Algunos de ellos incluso agregan un sufijo adicional al número de pieza para distinguir entre las piezas cambiadas del molde. De este modo, mediante el control de los PCN para la reducción de un molde, el diseñador puede tomar la placa con el diseño antiguo y un nuevo molde de MCU reducido y probar su correcto funcionamiento de nuevo de antemano en su “tiempo libre”. Si se detecta un problema, el producto puede modificarse para evitar problemas inesperados de última hora en la producción en serie, especialmente si la producción es realizada por el CM en otro país o lugar.

Información sobre el autor

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Dany Haikin, ingeniero regional de aplicaciones y director de asistencia técnica de Digi-Key Electronics, ha estado en la empresa desde 2012 con la responsabilidad principal de la asistencia técnica y de aplicación de los clientes de Digi-Key en Israel y Oriente Medio. Tiene más de 33 años de experiencia en la industria electrónica y tiene un título en Ingeniería Eléctrica del Technion - Israel Institute of Technology.

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