Pourquoi mon quartz ne démarre pas et en quoi est-ce lié au microcontrôleur lui-même

Comme nous le savons tous, la première entrée de base qu'un microcontrôleur ou une unité de protection de la mémoire (MPU) devrait recevoir après sa mise sous tension est une source d'horloge.

Il existe plusieurs options d'alimentation d'un microcontrôleur avec une source d'horloge externe : circuits RC, résonateurs céramique, quartz, oscillateurs à quartz et modules d'oscillateur silicium/MEMS.

La source d'horloge optimale d'une application dépend de nombreux facteurs, notamment le coût, la précision, la consommation énergétique, les paramètres environnementaux, etc.

Cet article parle de l'utilisation des résonateurs céramique ou des quartz (pour simplifier, les résonateurs céramique désignent en fait des quartz à condensateurs intégrés, même si les quartz sont plus précis et stables en température que les résonateurs céramique). Parfois, les quartz sont dénommés XTAL.

Les quartz sont largement utilisés dans les applications avec des contraintes de coût pour la simple raison qu'ils sont assez abordables. Cependant, ils offrent également une grande précision et une haute stabilité de fréquence, et ils sont utilisés dans de nombreuses applications sans restrictions majeures de coût.

De nombreux fournisseurs de microcontrôleurs proposent leurs propres notes d'application pour aider les concepteurs à connecter correctement le quartz au microcontrôleur et à choisir des valeurs correctes pour les condensateurs et la résistance, et pour expliquer les problèmes de configuration de circuit imprimé, etc.

À la fin du processus de conception, des tests et des essais sur le terrain, vous réussirez une « bonne conception technique ». Tout fonctionne à merveille et le produit passe en production, en général chez un sous-traitant quelque part dans le monde.

Puis, après un certain temps, pouvant s'étendre de 6 mois à plusieurs années, le sous-traitant vous appelle pour dire que le produit n'a pas réussi un test de validation après le processus de montage. Après une longue investigation, vous découvrez que cela est dû au défaut de démarrage du quartz et au non-fonctionnement du microcontrôleur.

Perplexe, vous vous demandez alors ce qui se passe. Vous aviez déjà oublié ce produit, vous êtes complètement impliqué dans un nouveau produit, vous ne vous souvenez plus de ce qui a été conçu, le concepteur ne travaille plus pour vous, et bien sûr vous n'avez pas le temps – une vraie catastrophe !

Ce cas n'arrive pas souvent. J'en ai compté une douzaine ces 10 dernières années, mais je suppose qu'il existe d'autres cas dont je n'ai pas eu connaissance.

En réalité, le quartz n'en est pas la raison, mais plutôt le microcontrôleur et le processus connu sous le nom de « rétrécissement de puce ». Pour définir ceci simplement, le rétrécissement de puce se définit comme la création d'un circuit identique au circuit intégré à semi-conducteurs à l'aide d'un processus de fabrication plus avancé, et la réduction de la taille de transistor/grille et de la distance des interconnexions. Le processus de rétrécissement de puce permet la fabrication de davantage de puces de processeur sur la même pièce de plaquette de silicium pour un coût réduit par produit.

Les rétrécissements de puce profitent également aux utilisateurs finaux car le processus réduit le courant consommé par chaque transistor, tout en conservant la même fréquence d'horloge d'une puce. Cela se traduit par un produit avec une consommation énergétique réduite et une fréquence d'horloge supérieure. Cela permet également aux fournisseurs d'implémenter les fonctionnalités supplémentaires du circuit intégré, impossibles à implémenter avant le rétrécissement de puce.

Les rétrécissements de puce sont essentiels dans l'amélioration du rapport prix/performances dans les entreprises de semi-conducteurs et n'interviennent qu'une fois par période. Cette période peut être une fois par an ou dans un intervalle de plusieurs années.

Figure 1 : Circuit électrique équivalent d'un quartz

Mais l'élément invariable dans ce processus de rétrécissement de puce est le boîtier dans lequel la puce est montée. La distance entre le plot de la puce et les broches du boîtier devient plus étendue. Lorsque la longueur de trace entre le plot et la broche devient électriquement « plus grande », cela affecte l'impédance et la résistance (ESR) de la charge, et des vitesses d'électrons accrues dans la puce rétrécie affectent l'inductance.

Plus le boîtier du microcontrôleur est grand, plus il risque d'être affecté par un rétrécissement de puce. Le quartz agit comme un circuit RLC. Sans entrer dans les détails de calculs, les paramètres R, L et C après le processus de rétrécissement de puce peuvent affecter la valeur des condensateurs et/ou des résistances choisis et testés pendant la phase de conception initiale avant le rétrécissement de puce.

Ce phénomène est identique à celui où le quartz ne démarre pas pendant le processus de conception. Cependant, lorsque vous souhaitez vérifier la situation en touchant les broches avec les sondes d'un oscilloscope, il commence soudainement à osciller. La sonde fournit la capacité marginale supplémentaire nécessaire pour démarrer le quartz.

Quelle est alors la solution ?

En réalité, il n'y a pas grand-chose à faire face à ce problème, mais le principal est d'en avoir conscience. En outre, comme le disent souvent les pompiers, « la manière la plus rapide d'éteindre un incendie est de l'empêcher ». Ainsi, s'il est possible d'ajouter 20 à 40 cents au coût global du système, il est recommandé d'utiliser un oscillateur à quartz simple au lieu d'un quartz à proprement parler. Les oscillateurs à quartz constituent une solution entièrement intégrée. Les fabricants d'oscillateurs adaptent le résonateur à quartz au circuit d'oscillateur pour ainsi décharger le concepteur de carte de la tâche d'adaptation. En outre, les oscillateurs à quartz présentent de nombreux autres avantages, notamment un fonctionnement robuste, une sensibilité inférieure aux interférences électromagnétiques et aux vibrations et un démarrage sûr.

La maintenance constitue une autre solution. La grande majorité des fournisseurs fiables publient un avis de modification de produit (PCN) lorsqu'ils modifient le composant, notamment pour le rétrécissement de puce. Certains d'entre eux ajoutent même un suffixe au numéro de référence pour distinguer les composants avec une puce modifiée. Ainsi, en suivant les PCN relatifs à un rétrécissement de puce, le concepteur peut combiner une carte de conception ancienne au microcontrôleur à puce rétrécie, puis tester à nouveau le bon fonctionnement du système à l'avance pendant son « temps libre ». Si un problème est détecté, le produit peut être modifié pour empêcher des imprévus de dernière minute lors de la production de masse, surtout si la production est réalisée par un sous-traitant dans un autre pays ou site.