Praxis-Messmethoden zum Post „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ – Abschnitte C und 5
zum Lexikon-Artikel : Quarze optimal auf ICs abstimmen
Worum es geht:
Die beiden externen Beschaltungskondensatoren C1 und C2 am Pierce-Oszillator bestimmen zusammen mit den parasitären Kapazitäten der Schaltung (Cstray) die effektive Lastkapazität. Ein einfacher Formelwert aus dem Datenblatt genügt in der Regel nicht, weil jede Leiterplatte eine individuelle Cstray aufweist. Dieser Post zeigt, wie C1 und C2 richtig dimensioniert und in der Schaltung verifiziert werden.
Ausgangsformel für die Dimensionierung
Bei symmetrischer Beschaltung (C1 = C2 = CX) gilt:
CL = CX / 2 + Cstray ⇒ CX = 2 · (CL − Cstray)
Als Startwert wird in vielen Datenblättern folgende Faustregel angegeben (CL und CX in pF):
CX = 2 · CL − 2 · Cstray (Cstray typ. 2 pF)
Aus dem Originalbeitrag ergibt sich für CL = 12 pF: 2·12 − 2·2 = 20 pF. Bei einer mittleren Cstray von 2 pF führt das Rechenbeispiel im Lexikon (18 pF pro Seite) zum identischen effektiven Arbeitspunkt – je nach tatsächlicher Pin-Kapazität des ICs.
Schritt 1: Startwert aus Datenblatt berechnen
Die Dimensionierung beginnt immer mit zwei Datenblattwerten:
- CL des Quarzes (z. B. 8 pF, 12 pF, 16 pF, 20 pF)
- Kapazitive Belastung des IC an XIN/XOUT (üblicherweise 1 – 7 pF je Pin; im MCU-Datenblatt meist als „CIN/COUT“ oder „CLoad“ angegeben)
| Quarz-CL | Cstray (typ.) | CX Startwert C1/C2 | Bereich |
|---|---|---|---|
| 6 pF | 2 pF | 8 pF | 7 – 12 pF |
| 8 pF | 2 pF | 12 pF | 10 – 15 pF |
| 10 pF | 2 pF | 16 pF | 15 – 18 pF |
| 12 pF | 2 pF | 20 pF | 18 – 22 pF |
| 12,5 pF | 2 pF | 21 pF | 18 – 22 pF |
| 16 pF | 2 pF | 28 pF | 22 – 30 pF |
| 20 pF | 2 pF | 36 pF | 33 – 39 pF |
Wichtig vor der Dimensionierung Prüfen Sie im MCU-Datenblatt, welche Pin-Kapazität der Hersteller für XIN/XOUT angibt. Einige moderne Low-Power-MCUs haben bewusst erhöhte Pin-Kapazitäten bis 7 pF, andere nur 1–2 pF. Rechnen Sie mit dem tatsächlichen Wert, nicht mit der Faustregel. | |||
Schritt 2: Cstray der Leiterplatte bestimmen (Variationsmethode)
Auf dem Zielboard wird Cstray durch zwei Frequenzmessungen bei unterschiedlichen C1/C2-Werten bestimmt. Dies ist die einfachste und zuverlässigste Labormethode.
Messaufbau
Zwei Sätze C0G/NP0-Kondensatoren (±2 %) deutlich unterschiedlicher Werte, z. B. 10 pF und 22 pF
Frequenzzähler ≥ 0,1 ppm Auflösung mit externer Referenz
Niedrigkapazitiver FET-Tastkopf (< 1 pF)
Durchführung
Bestückung 1: C1 = C2 = C_A (z. B. 10 pF) → Frequenz f_A messen.
Bestückung 2: C1 = C2 = C_B (z. B. 22 pF) → Frequenz f_B messen.
Beide Frequenzen als Abweichung zur Nennfrequenz ausdrücken: Δf_A, Δf_B in ppm.
Cstray aus dem Gleichungssystem bestimmen.
Rechengleichung
Aus den beiden Messungen folgt für die Pull-Sensitivity S und die parasitäre Kapazität Cstray:
S = (Δf_B − Δf_A) / (CL_B_eff − CL_A_eff) [ppm/pF]
Wobei CL_eff = CX/2 + Cstray. Durch Gleichsetzen der spezifizierten Pull-Sensitivity (aus dem Quarz-Datenblatt) und Auflösen nach Cstray ergibt sich ein eindeutiger Wert. In der Praxis nutzen Entwickler hierfür meistens eine kleine Excel-Tabelle oder eine MCU-Hersteller-App.
Schritt 3: In-Circuit-Messung der effektiven Kapazität
Sehr elegant und ohne Löten: Mit einem präzisen LCR-Meter wird die Kapazität zwischen XIN (bzw. XOUT) und GND im ausgeschalteten Zustand vermessen.
Messablauf
- Versorgungsspannung auf 0 V, Schaltung vollständig stromlos.
- Quarz auslöten (oder nicht bestücken) – nur C1, C2, IC-Pin und Leiterbahnen im Messpfad.
- Mit LCR-Meter (1 MHz Messsignal, ≤ 100 mV) die Kapazität XIN → GND und XOUT → GND messen.
- Messwerte sollten den berechneten CX-Werten + 1…3 pF (IC-Pin) entsprechen.
Vorsicht bei der LCR-Messung Die IC-Pin-Kapazität ist spannungsabhängig. Die LCR-Messung im ausgeschalteten Zustand liefert daher nicht exakt den Betriebswert. Für Präzisionsdesigns ist die Frequenzmethode (Schritt 2) die zuverlässigere Referenz. |
Schritt 4: Symmetrie prüfen
Unsymmetrische Beschaltung (C1 ≠ C2) verschlechtert Startverhalten und Drive-Level-Verteilung. In der Praxis empfehlen wir:
| Parameter | Zielwert | Grenzwert |
|---|---|---|
| Abweichung C1 zu C2 | ≤ 2 % | ≤ 5 % |
| Toleranz C0G (NP0) | ±2 % | ±5 % |
| Toleranz Standardkeramik X7R | nicht empfohlen | – |
| Spannungskoeffizient | ≤ 1 % bei Vbetrieb | – |
Rechenbeispiel nach Variationsmethode
Quarz: 24,000 MHz, CL = 8 pF, Pull-Sensitivity S = −20 ppm/pF (aus Datenblatt).
| Bestückung | C1 = C2 | gemessene Frequenz | Δf/f |
|---|---|---|---|
| Messung A | 10 pF | 24,000 042 MHz | +1,75 ppm |
| Messung B | 22 pF | 23,999 928 MHz | −3,00 ppm |
Zwischen beiden Bestückungen ändert sich CX/2 um (22−10)/2 = 6 pF. Die gemessene Frequenzänderung beträgt −4,75 ppm → S_gemessen = −0,79 ppm/pF · (1/6) = tatsächlich rund −19,8 ppm/pF, passt zum Datenblatt.
Mit Δf_A = +1,75 ppm bei CX = 10 pF: CL_eff_A = 10/2 + Cstray = 5 + Cstray. Aus Δf = S · (CL_eff − CL_spec) folgt CL_eff_A ≈ 8 − (1,75/−20) = 7,91 pF → Cstray ≈ 2,9 pF.
Ergebnis: Die Leiterplatte hat Cstray ≈ 2,9 pF. Zielwert CX = 2·(8 − 2,9) = 10,2 pF. Eine Bestückung mit 10 pF ±2 % liegt damit nahezu exakt im Soll.
Weiterführend
Die Formeln und der Zusammenhang zwischen CL, C1/C2 und Cstray sind im Praxisleitfaden „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ (Abschnitte B, C und 5) hergeleitet. Dieser Post zeigt die Labormessung, mit der die Berechnung auf Ihrer realen Leiterplatte abgeglichen wird.
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FAQ - Fragen und Antworten zu Externe Kapazitäten C1/C2 dimensionieren und Cstray bestimmen
Fragen und kurze leicht verständliche Antworten zu Externe Kapazitäten C1/C2 dimensionieren und Cstray bestimmen
Wie werden die externen Kapazitäten C1 und C2 am Pierce-Oszillator richtig dimensioniert?
Die Dimensionierung von C1 und C2 richtet sich nach der geforderten Lastkapazität CL des Quarzes und der parasitären Kapazität Cstray der realen Schaltung. Bei symmetrischer Beschaltung mit C1 = C2 = CX gilt die Beziehung CL = CX / 2 + Cstray, daraus folgt CX = 2 · (CL − Cstray). Ein reiner Datenblattwert reicht in der Praxis oft nicht aus, weil Leiterplatte, IC-Pins und Layout die effektive Lastkapazität mit beeinflussen. Als Startwert wird häufig mit einer typischen Cstray von etwa 2 pF gerechnet, die tatsächliche Auslegung sollte jedoch auf dem Zielboard verifiziert werden. So lässt sich der Quarz näher an seinem spezifizierten Arbeitspunkt betreiben und die Frequenzgenauigkeit verbessern.
Warum ist Cstray bei der Auslegung von Quarz-Beschaltungskondensatoren so wichtig?
Cstray beschreibt die parasitären Kapazitäten der Schaltung, die zusätzlich zu den externen Kondensatoren C1 und C2 auf die Lastkapazität des Quarzes wirken. Dazu zählen unter anderem die Eingangskapazitäten von XIN und XOUT, Leiterbahnkapazitäten und Einflüsse des Layouts. Wird Cstray nicht korrekt berücksichtigt, verschiebt sich die effektive Lastkapazität und damit auch die Oszillatorfrequenz. Genau deshalb genügt eine rein theoretische Berechnung aus dem Datenblatt in vielen Fällen nicht. Erst die Berücksichtigung der realen Leiterplatte ermöglicht eine belastbare Auslegung der Quarzbeschaltung.
Wie lässt sich die parasitäre Kapazität Cstray auf der Leiterplatte zuverlässig bestimmen?
Eine einfache und zuverlässige Labormethode ist die Variationsmethode mit zwei unterschiedlichen symmetrischen Bestückungen für C1 und C2. Dabei werden beispielsweise 10 pF und 22 pF C0G/NP0-Kondensatoren eingesetzt und jeweils die resultierende Frequenzabweichung zur Nennfrequenz in ppm gemessen. Aus den beiden Messpunkten und der Pull-Sensitivity des Quarzes aus dem Datenblatt kann Cstray eindeutig bestimmt werden. Alternativ lässt sich die Kapazität zwischen XIN beziehungsweise XOUT und GND im stromlosen Zustand mit einem präzisen LCR-Meter messen. Beide Verfahren helfen dabei, die reale Lastkapazität der Schaltung besser zu erfassen und die Kondensatorwerte gezielt anzupassen.
Welche Messmittel und Bauteile werden für die Bestimmung von Cstray und die Verifikation von C1/C2 benötigt?
Für die Variationsmethode werden zwei Sätze hochwertiger C0G/NP0-Kondensatoren mit deutlich unterschiedlichen Werten benötigt, zum Beispiel 10 pF und 22 pF. Zusätzlich ist ein Frequenzzähler mit mindestens 0,1 ppm Auflösung und externer Referenz sinnvoll, um kleine Frequenzänderungen sicher zu erfassen. Für Messungen am Oszillator sollte ein niedrigkapazitiver FET-Tastkopf mit weniger als 1 pF verwendet werden, damit die Schaltung nicht unnötig belastet wird. Bei der In-Circuit-Prüfung der Kapazität eignet sich ein präzises LCR-Meter, idealerweise mit 1 MHz Messsignal und kleiner Messspannung. Mit dieser Ausstattung lassen sich Berechnung und reales Verhalten der Quarzschaltung sauber miteinander abgleichen.
Warum sollte die Quarzbeschaltung möglichst symmetrisch mit C1 = C2 ausgeführt werden?
Eine symmetrische Beschaltung mit gleichen Werten für C1 und C2 sorgt für eine definierte und gut berechenbare Lastkapazität am Pierce-Oszillator. Dadurch lässt sich die Formel für die Auslegung direkt anwenden und die Abstimmung auf die spezifizierte CL des Quarzes vereinfachen. Unsymmetrische Beschaltungen mit C1 ≠ C2 können das Startverhalten verschlechtern und die Verteilung des Drive-Levels ungünstig beeinflussen. Das kann sich negativ auf Stabilität, Frequenzlage und Zuverlässigkeit des Oszillators auswirken. In der Praxis ist eine symmetrische Auslegung daher in den meisten Fällen die bevorzugte Lösung.
Warum PETERMANN-TECHNIK externe Kapazitäten C1/C2 dimensionieren und Cstray bestimmen?
PETERMANN-TECHNIK unterstützt Entwickler bei der präzisen Auslegung von Quarzbeschaltungen auf realen Leiterplatten und verbindet dabei Datenblattwissen mit praktischer Messtechnik. Das ist besonders wichtig, weil C1, C2 und Cstray gemeinsam die effektive Lastkapazität und damit die tatsächliche Frequenzlage bestimmen. Das Unternehmen begleitet Kunden bei der Auswahl des passenden Quarzes, bei Messungen in der Schaltung und bei der Verifikation bis zur Serienfreigabe. Durch diese anwendungsnahe Unterstützung lassen sich Fehlanpassungen, unnötige Iterationen und Frequenzabweichungen im Designprozess reduzieren. Für industrielle B2B-Anwendungen ist PETERMANN-TECHNIK damit ein kompetenter Partner für belastbare, frequenzstabile Oszillatorlösungen.
