Praxis-Messmethoden zum Post „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ – Abschnitte B und 5
zum Lexikon-Artikel : Quarze optimal auf ICs abstimmen
Worum es geht
Parasitäre Kapazitäten (Cpar) zwischen XIN/XOUT und Masse sind unvermeidbar. Sie setzen sich zusammen aus IC-Pin-Kapazität, Leiterbahn-, Pad- und Gehäusekapazitäten. Typische Werte liegen zwischen 1 pF und 3 pF pro Seite, in ungünstigen Layouts oder bei IC-Pin-Kapazitäten bis 7 pF auch deutlich darüber.
Diese Kapazitäten erhöhen die effektive Lastkapazität, reduzieren den Betrag von −Rneg und verschieben den Arbeitspunkt des Oszillators. Besonders kritisch sind Designs mit niedriger spezifizierter CL (MHz-Quarz ≤ 10 pF, 32,768-kHz-Quarz ≤ 6 pF) – hier wirken sich parasitäre Kapazitäten prozentual stark aus.
Dieser Post beschreibt zwei praxistaugliche Methoden zur quantitativen Bestimmung von Cpar.
Warum Cpar gemessen werden sollte
Aus Datenblatt-Faustregeln wird häufig mit Cpar = 2 pF gerechnet. Die reale Streuung über verschiedene Layouts ist jedoch erheblich:
| Layout-Typ | Cpar typisch | Effekt auf CL_eff |
|---|---|---|
| 4-Lagen-PCB, kurze Leitungen, Quarz direkt am IC | 1,0 – 1,5 pF | minimal |
| 4-Lagen-PCB, Standard-Layout mit 5 mm Leitungen | 2,0 – 2,5 pF | normal, in Rechnung zu berücksichtigen |
| 2-Lagen-PCB, lange Leitungen (> 10 mm) | 3,0 – 4,5 pF | signifikant, CL-Frequenzfehler > 10 ppm möglich |
| IC mit erhöhter Pin-Kapazität (CIN bis 7 pF) | 7 – 9 pF | dominiert die Kapazitätsbilanz |
| GND-Fläche direkt unter Quarzpads | 4 – 7 pF | Layout-Fehler, unbedingt korrigieren |
Methode A: Frequenz-Variationsmethode (empfohlen)
Zwei Frequenzmessungen mit unterschiedlichen C1/C2-Bestückungen liefern Cpar indirekt über die Frequenzänderung. Diese Methode ist die zuverlässigste, weil sie Cpar unter realen Betriebsbedingungen erfasst (inkl. IC-Pin-Kapazität bei Nennspannung und Betriebstemperatur).
Equipment
- Frequenzzähler ≥ 0,1 ppm Auflösung mit GPS- oder OCXO-Referenz
- Zwei Sätze präzise C0G/NP0-Kondensatoren (±1 %), z. B. C_A = 10 pF und C_B = 22 pF
- FET-Tastkopf mit ≤ 1 pF Eingangskapazität (an XOUT)
- Bekannte Pull-Sensitivity S [ppm/pF] des eingesetzten Quarzes (aus Datenblatt, Messung oder unserer Musterlieferungen beigefügten Messprotokollen)
Messablauf
- Bestückung A: C1 = C2 = C_A. Nach 60 s Einschwingen Frequenz f_A messen, Δf_A = (f_A − f_nenn)/f_nenn in ppm.
- Bestückung B: C1 = C2 = C_B. Frequenz f_B messen, Δf_B berechnen.
- Beide Bestückungen beziehen sich auf dieselbe Pull-Sensitivity. Aus dem Gleichungssystem folgt Cpar.
Rechnung
Mit CL_eff_A = C_A/2 + Cpar und CL_eff_B = C_B/2 + Cpar sowie Δf = S · (CL_eff − CL_spec) ergibt sich:
Cpar = CL_spec + (Δf_A / S) − C_A / 2
Zur Kontrolle kann Cpar analog aus Bestückung B berechnet werden – beide Ergebnisse sollten innerhalb ±0,3 pF übereinstimmen. Weichen sie stärker ab, deutet das auf eine fehlerhafte Pull-Sensitivity, falsch ausgewiesene CL_spec oder einen starken Drive-Level-Einfluss hin.
Rechenbeispiel
Quarz: 26 MHz, CL_spec = 8 pF, S = −20 ppm/pF.
| Bestückung | C1 = C2 | Δf gemessen | CL_eff aus Δf |
|---|---|---|---|
| A | 10 pF | +1,60 ppm | 7,92 pF |
| B | 22 pF | −3,20 ppm | 8,16 pF |
Cpar_A = 7,92 pF − 10/2 = 2,92 pF
Cpar_B = 8,16 pF − 22/2 = −2,84 pF
Die Werte stimmen nicht überein (Vorzeichen unterschiedlich). Grund: Bei Bestückung B ist CL_eff größer als CL_spec, daher negative Abweichung. Zur korrekten Interpretation die vorzeichenrichtige Formulierung verwenden:
CL_eff_A = 5 + Cpar = 7,92 → Cpar = 2,92 pF
CL_eff_B = 11 + Cpar = 8,16 … ?
Die zweite Gleichung zeigt eine Inkonsistenz: 11 + Cpar kann nicht 8,16 sein. Das deutet darauf hin, dass bei C_B = 22 pF der Quarz oberhalb seiner CL_spec betrieben wird und die lineare Näherung ihre Gültigkeit verliert. In diesem Fall zwei Bestückungen mit kleinerer Spreizung wählen (z. B. C_A = 12 pF, C_B = 18 pF) oder eine exakte Quarz-Ersatzschaltbild-Rechnung durchführen.
Merke: Die Frequenzmethode funktioniert am besten, wenn beide Bestückungen CL_eff-Werte um CL_spec herum ergeben. Cpar ≈ 2,9 pF aus Bestückung A ist hier das aussagekräftige Ergebnis.
Methode B: LCR-Messung im ausgeschalteten Zustand
Ergänzende Methode, die ohne Oszillieren auskommt. Sie eignet sich für Prototypen-Characterisierung und für Vergleiche zwischen Layoutvarianten.
Messaufbau
- Präzisions-LCR-Meter mit 1 MHz-Signal (z. B. Keysight E4980AL, HP 4284A)
- Messsignal ≤ 100 mV, um die IC-Eingangsdioden nicht zu stressen
- Schaltung komplett stromlos (VCC = 0 V, keine Batterie)
Durchführung
- Quarz aus der Fassung nehmen (bei SMD: auslöten oder nicht bestücken).
- Ohne C1 und C2 (nicht bestückt): Kapazität XIN → GND und XOUT → GND messen. Das ergibt eine Abschätzung der reinen Pin- und Leiterbahn-Kapazität zu Masse.
- Mit C1 und C2 bestückt: Kapazität XIN → GND und XOUT → GND erneut messen. Die Differenz zur Messung ohne Kondensatoren muss mit den C1/C2-Werten plus einer kleinen Streukapazität (< 0,5 pF) übereinstimmen.
- Cpar ≈ Messwert ohne C1/C2.
Grenze der LCR-Methode Die IC-Pin-Kapazität ist spannungsabhängig und ändert sich zwischen ausgeschaltetem und eingeschaltetem Zustand typischerweise um 0,5 – 1,5 pF. Die LCR-Messung liefert daher nur eine Untergrenze des Betriebs-Cpar. Für absolute Präzision die Frequenzmethode (Methode A) verwenden. |
Layout-Einflüsse auf Cpar
| Layoutmaßnahme | Effekt auf Cpar | Empfehlung |
|---|---|---|
| Leiterbahn kürzen um 5 mm | −0,3 bis −0,5 pF | immer |
| GND-Fläche unter Quarzpads entfernen | −1,0 bis −2,5 pF | Immer, ob für MHz oder kHz Schwingquarze = kein Ground direkt unter dem Schwingquarz |
| Quarzpads #2 und #4 auf GND legen (4-Pad-Keramik) | +0 pF, aber EMV-Verbesserung | empfohlen, aber vor Frequenz-Feinabgleich einmalig festlegen |
| Via statt Leiterbahn zum GND | minimal | nur wenn Routing es erzwingt |
| Quarz von der Leiterplattenunterseite bestücken | +0,5 – 1,0 pF | vermeiden, wenn möglich |
| Zusätzliche Signalleiterbahn in < 1 mm Abstand | +0,3 bis +1,0 pF | unbedingt vermeiden |
Empfehlung für niedrige-CL-Designs
In batteriebetriebenen Applikationen geben IC-Hersteller häufig Quarze mit sehr niedrigen Lastkapazitäten vor (MHz-Quarz typ. 8 pF, 32,768-kHz-Quarz bis hinunter zu 3 – 4 pF). In solchen Designs:
- 1 %-tolerierte C0G/NP0-Kondensatoren für C1 und C2 einsetzen
- Cpar durch Frequenzmessung einmalig pro Layout verifizieren
- Maximal 3 mm Leiterbahn zwischen IC-Pin und Quarz-Pad
- Keine Signalleitungen unter oder direkt neben dem Quarz
- Dedizierte GND-Insel für die Beschaltungskondensatoren
TS (Tuning Sensivity) in ppm/pF: Die IC Hersteller empfehlen immer mehr die Verwendung von Schwingquarzen mit niedrigen Lastkapazitäten (MHz = <6pF, 32.768 kHz = 4pF). Weniger XIN/XOUT Belastung reduziert den Stromverbrauch des ICs und verlängert so die Batterielaufzeit und erhöht die Anschwingsicherheit. Aber frequenzseitig bedeutet dies ein sehr großes Problem für den Entwicklungsingenieur. Denn je geringer die Lastkapazität vom Quarz, umso größer ist die Ziehempfindlichkeit in ppm/pF (physikalische Gesetzgebung). Für eine normale Controller-Schaltung ist dies unerheblich, für eine Funkapplikation ist dieser Wert aber essentiell. Deshalb empfehlen wir in Funkapplikationen die Toleranz von 1% max. für C1 und C2 zu verwenden, damit von der Seite her so wenig wie möglich kapazitiver Frequenzversatz (Shift der Arbeitsfrequenz) generiert wird. Zudem ist die kapazitive Toleranz auf XIN/XOUT nicht zu vernachlässigen, die bis zu 25% betragen kann. |
Grenze der LCR-Methode
Die IC-Pin-Kapazität ist spannungsabhängig und ändert sich zwischen ausgeschaltetem und eingeschaltetem Zustand typischerweise um 0,5 – 1,5 pF. Die LCR-Messung liefert daher nur eine Untergrenze des Betriebs-Cpar.
Für absolute Präzision die Frequenzmethode (Methode A) verwenden.
Weiterführend
Die Wirkung parasitärer Kapazitäten auf Arbeitspunkt, Anschwingsicherheit und Frequenzgenauigkeit ist im Praxisleitfaden „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ (Abschnitte B und 5) beschrieben. Dieser Post zeigt, wie Sie Cpar auf Ihrem Board quantitativ bestimmen und gezielt durch Layoutmaßnahmen reduzieren.
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FAQ - Fragen und Antworten zu Parasitäre Kapazitäten Cpar auf der Leiterplatte ermitteln
Fragen und kurze leicht verständliche Antworten zu Parasitäre Kapazitäten Cpar auf der Leiterplatte ermitteln
Was sind parasitäre Kapazitäten Cpar auf der Leiterplatte und warum sind sie für Quarz-Oszillatoren kritisch?
Parasitäre Kapazitäten Cpar zwischen XIN/XOUT und Masse sind in jeder Quarzschaltung unvermeidbar. Sie setzen sich aus IC-Pin-Kapazität, Leiterbahn-, Pad- und Gehäusekapazitäten zusammen und liegen typischerweise bei 1 pF bis 3 pF pro Seite, können aber auch deutlich höher ausfallen. Diese Zusatzkapazitäten erhöhen die effektive Lastkapazität des Quarzes und beeinflussen damit direkt den Arbeitspunkt des Oszillators. Gleichzeitig reduziert sich der Betrag von −Rneg, was die Anschwingsicherheit verschlechtern kann. Besonders kritisch ist das bei Designs mit niedriger spezifizierter Lastkapazität, etwa bei MHz-Quarzen bis 10 pF oder 32,768-kHz-Quarzen bis 6 pF, weil sich Cpar dort prozentual besonders stark auswirkt.
Wie lässt sich die parasitäre Kapazität Cpar mit der Frequenz-Variationsmethode zuverlässig bestimmen?
Die Frequenz-Variationsmethode gilt als die zuverlässigste Methode zur Bestimmung von Cpar, weil sie die parasitären Einflüsse unter realen Betriebsbedingungen erfasst. Dabei werden zwei unterschiedliche Bestückungen mit präzisen C0G/NP0-Kondensatoren verwendet, zum Beispiel C_A und C_B, und jeweils die resultierende Oszillatorfrequenz gemessen. Aus den Frequenzabweichungen in ppm, der bekannten Pull-Sensitivity S des Quarzes und der spezifizierten Lastkapazität CL_spec lässt sich Cpar indirekt berechnen. Wichtig ist, dass beide Bestückungen CL_eff-Werte möglichst nahe um CL_spec herum erzeugen, damit die lineare Näherung gültig bleibt. Für absolute Präzision empfiehlt sich ein Frequenzzähler mit mindestens 0,1 ppm Auflösung sowie eine stabile Referenz wie GPS oder OCXO.
Wann ist die LCR-Messung zur Ermittlung von Cpar sinnvoll und wo liegen ihre Grenzen?
Die LCR-Messung im ausgeschalteten Zustand ist eine ergänzende Methode, die sich besonders für die Charakterisierung von Prototypen und den Vergleich verschiedener Layoutvarianten eignet. Ihr Vorteil ist, dass sie auch ohne schwingenden Oszillator durchgeführt werden kann und damit in frühen Entwicklungsphasen praktisch ist. Allerdings misst diese Methode nur eine Untergrenze des späteren Betriebs-Cpar, weil die IC-Pin-Kapazität spannungsabhängig ist. Zwischen ausgeschaltetem und eingeschaltetem Zustand kann sich diese Kapazität typischerweise um 0,5 pF bis 1,5 pF verändern. Deshalb ist die LCR-Methode für Trendanalysen und Layoutvergleiche nützlich, für absolute Präzision sollte jedoch die Frequenzmethode bevorzugt werden.
Welche Layout-Einflüsse erhöhen parasitäre Kapazitäten bei XIN/XOUT und wie kann man Cpar reduzieren?
Parasitäre Kapazitäten werden maßgeblich durch das Leiterplattenlayout beeinflusst. Lange Leiterbahnen, große Pads, ungünstige Gehäuseeinflüsse und zusätzliche Kapazitäten an den IC-Pins erhöhen Cpar und verschieben damit die effektive Lastkapazität des Quarzes. In der Praxis führt das nicht nur zu Frequenzabweichungen, sondern kann auch die Anschwingsicherheit des Oszillators verschlechtern. Besonders bei niedrigen CL-Designs wirken sich selbst kleine zusätzliche pF-Werte deutlich aus. Deshalb sollte Cpar gezielt durch ein kompaktes Layout, kurze Verbindungen und optimierte Platzierung von Quarz und Lastkondensatoren reduziert werden.
Warum ist die Bestimmung von Cpar besonders wichtig bei Quarzen mit niedriger Lastkapazität?
In batteriebetriebenen Applikationen geben IC-Hersteller häufig Quarze mit sehr niedrigen Lastkapazitäten vor, etwa 8 pF bei MHz-Quarzen oder sogar 3 pF bis 4 pF bei 32,768-kHz-Quarzen. In solchen Designs fällt jede zusätzliche parasitäre Kapazität besonders stark ins Gewicht, weil sie einen hohen prozentualen Anteil an der gesamten Lastkapazität hat. Dadurch verschiebt sich der Arbeitspunkt des Oszillators schneller aus dem optimalen Bereich heraus. Das kann die Frequenzgenauigkeit verschlechtern und die Anschwingsicherheit beeinträchtigen. Eine quantitative Bestimmung von Cpar ist deshalb entscheidend, um Quarz, Lastkondensatoren und Layout sauber aufeinander abzustimmen.
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