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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