Praxis-Messmethoden zum Post „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ – Abschnitt B
zum Lexikon-Artikel : Quarze optimal auf ICs abstimmen
Worum es geht
Die Lastkapazität CL definiert den Arbeitspunkt eines Schwingquarzes und damit seine tatsächliche Frequenz in der Schaltung, auch Arbeitsfrequenz genannt. Jeder Quarz ist auf eine bestimmte CL getrimmt (typisch 6 pF, 8 pF, 12 pF, 16 pF, 18 pF oder 20 pF für MHz-Schwingquarze / 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF und 12.5pF für 32.768kHz-Uhrenquarze). Stimmen die CL-Spezifikation des Quarzes und die effektive Lastkapazität der Schaltung nicht überein, entsteht ein systematischer Frequenzversatz (frequency shift) – oft im Bereich von einigen ppm bis zu mehreren zehn ppm.
Dieser Praxis-Post zeigt, wie die effektive Lastkapazität in einer realen Schaltung überprüft und validiert werden kann.
Physikalischer Hintergrund
Die effektive Lastkapazität, die der Quarz in der Schaltung „sieht“, ergibt sich aus der Serienschaltung der beiden externen Kapazitäten C1 und C2 plus den parasitären Kapazitäten (Cstray).
CL_eff = (C1 · C2) / (C1 + C2) + Cstray
Cstray sich aus IC-Pin-Kapazität, Leiterbahn- und Pad-Kapazitäten zusammen. Typische Richtwerte im realen Layout liegen bei 2 pF – in kompakten, layoutoptimierten Designs mitunter auch nur bei 1 pF, in ungünstigen Layouts oder bei IC-Pin-Kapazitäten bis 7 pF entsprechend höher.
Warum eine reine Berechnung nicht ausreicht
Die Berechnung aus dem Datenblatt gibt einen guten Startwert, ist aber keine Garantie. Abweichungen entstehen durch:
- Serienstreuung der IC-Pin-Kapazität (typ. ±30 %)
- Layoutvarianten (Leiterbahnlängen, Anzahl Layer, Via-Anzahl, Nähe zu Masseflächen)
- Fertigungstoleranzen der Beschaltungskondensatoren (C0G/NP0 typ. ±5 %, Standard ±10 %, ±1% für genaue Applikationen wie zum Beispiel in Funkapplikationen benötigt)
- Temperatur- und Spannungsabhängigkeit der Pin-Kapazität
Eine Verifikation in der realen Schaltung ist daher Pflicht, wenn die Frequenzgenauigkeit relevant ist (Wireless, USB, Ethernet, Zeitgeber).
Messmethode A: Frequenzmethode (empfohlen in der Serie)
Messprinzip
Es wird die Ist-Frequenz der laufenden Schaltung gemessen und mit der spezifizierten Nennfrequenz verglichen. Aus der Frequenzabweichung lässt sich die effektive Lastkapazität zurückrechnen.
Benötigtes Equipment
Frequenzzähler mit ≥ 0,1 ppm Auflösung und GPS- oder OCXO-Referenz (z. B. Keysight 53230A, Pendulum CNT-90)
Tastkopf aktiv, niedrigkapazitiv (< 1 pF, z. B. FET-Probe), um die Messung nicht zu verfälschen
Temperaturkammer empfohlen für Referenzmessung bei +25 °C ±1 °C
Durchführung
Schaltung bei +25 °C und Nennspannung in Betrieb nehmen. Mindestens 60 s warmlaufen lassen.
Mit niedrigkapazitivem Tastkopf an XOUT (Oszillator-Ausgang) abgreifen. XIN nicht anfassen – dort stört der Tastkopf den Arbeitspunkt am stärksten.
Frequenz über ≥ 10 s Gate-Time mitteln und notieren: fmess.
Abweichung berechnen: Δf/f = (fmess − fnenn) / fnenn · 10⁶ [ppm]
Aus Δf/f die effektive CL rückrechnen (siehe Formel unten).
Rückrechnung CL aus Δf/f
Näherungsformel (gültig im üblichen Bereich um CL_spec):
Δf / f ≈ − C1_motional / (2 · (C0 + CL_eff)²) · (CL_eff − CL_spec)
Mit typischen Quarzparametern (C1_motional ≈ 3 fF, C0 ≈ 1 pF) ergibt sich als praxistaugliche Faustformel:
ΔCL [pF] ≈ Δf/f [ppm] · (CL_spec + C0)² / (C1_motional · 10⁶ / 2)
Einfacher und genauer: Pull-Sensitivity aus dem Quarz-Datenblatt ablesen (typ. −15 bis −25 ppm/pF) und damit umrechnen.
ΔCL = Δf/f / S (S = Pull-Sensitivity in ppm/pF)
Messmethode B: Variationsmethode (zur Ermittlung von Cstray)
Diese Methode ist die genaueste Variante, wenn die parasitäre Kapazität der Schaltung bestimmt werden soll:
C1 und C2 auf symmetrischen Testwert setzen (z. B. je 12 pF, C0G ±2 %).
Frequenz f1 messen.
C1 und C2 auf einen zweiten Wert wechseln (z. B. je 22 pF), Frequenz f2 messen.
Aus zwei Messpunkten lassen sich Cpar und effektive Lastkapazität analytisch auflösen.
Gut geeignet für das Erstmuster-Debugging, weil damit auch das Layout charakterisiert wird und die ermittelten Cpar-Werte für ähnliche Layouts wiederverwendbar sind.
Typische Werte und Akzeptanzgrenzen
| Kriterium | Grüner Bereich | Bewertung / Maßnahme |
|---|---|---|
| |Δf/f| bei +25 °C | < 5 ppm | In Ordnung |
| |Δf/f| bei +25 °C | 5 – 15 ppm | C1/C2 anpassen |
| |Δf/f| bei +25 °C | > 15 ppm | CL-Variante prüfen, Cpar ermitteln |
| Differenz XIN / XOUT | < 2 ppm | Symmetrisches Layout |
| Cpar (aus Variationsmethode) | 1 – 3 pF | Typischer Normalbereich |
| Cpar | > 5 pF | Layout überprüfen (kurze Leitungen, keine GND-Fläche unter Quarz) |
Rechenbeispiel
Quarz: 26.000 MHz, CL_spec = 8 pF, Pull-Sensitivity S = −18 ppm/pF.
Messung in der Schaltung: fmess = 26.000 234 MHz → Δf/f = +9 ppm.
ΔCL = +9 ppm / (−18 ppm/pF) = −0,5 pF
Interpretation: Die effektive Lastkapazität liegt 0,5 pF unter Soll. Abhilfe: C1 und C2 leicht erhöhen. Bei C1 = C2 bewirkt +1 pF pro Kondensator ≈ +0,5 pF an CL_eff – also um je +1 pF vergrößern.
Praxis-Hinweis Für Applikationen mit hoher Langzeitgenauigkeit (z. B. ISM-Band-Wireless, LoRaWAN, präzise Zeitbasis) empfehlen wir 1 %-tolerierte C0G/NP0-Kondensatoren für C1 und C2. Damit werden die dominanten äußeren Einflüsse auf CL_eff auf < 0,1 pF Streuung begrenzt. Messen Sie die Ist-Frequenz nicht direkt am XIN-Pin. Der kapazitive Eintrag des Tastkopfs verfälscht das Ergebnis sofort um mehrere ppm. XOUT oder ein nachgelagerter IC-Pin ist die bessere Messstelle. Am besten im IC-Datenblatt prüfen, ob die Frequenz über einen separaten Pin ausgegeben werden kann. In diesem Falle kann die Arbeitsfrequenz des Quarzes ohne Beeinflussung von Testequipment/Tastköpfen gemessen werden. |
Weiterführend
Die hier verwendete Formel und die Zusammenhänge zwischen CL, C1, C2 und den parasitären Kapazitäten sind im Praxisleitfaden „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ (Abschnitt B und C) ausführlich beschrieben. Dieser Post ergänzt den Leitfaden um die konkrete Messpraxis.
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