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Lastkondensatoren für Quarze berechnen — Vollständiger Entwurfsleitfaden

Erfahren Sie, wie Sie Quarz-Lastkapazitäten berechnen, Kondensatoren auswählen und PCB-Parasiten beim Oszillatorentwurf berücksichtigen.

Quarz-Lastkondensator-Rechner →

Quarzoszillatoren

Ein Quarzresonator wandelt durch den piezoelektrischen Effekt elektrische Energie in mechanische Schwingung und zurück. Im Pierce-Oszillator liefert der MCU-Verstärker Energie, während der Quarz den Betriebsbereich bestimmt. Dieser Rechner dimensioniert das kapazitive Netzwerk und bildet nicht den gesamten aktiven Oszillator ab.

Serien- und Parallelresonanz

Die Bewegungsinduktivität und Bewegungskapazität bilden die Serienresonanz fs. Die Parallelkapazität der Elektroden C0 erzeugt eine höhere Antiresonanz. Ein Quarz für Parallelbetrieb wird für eine bestimmte externe Last zwischen diesen Frequenzen abgeglichen. Ein für Serienresonanz spezifizierter Quarz ist nicht allein aufgrund derselben aufgedruckten Frequenz austauschbar.

Bedeutung von CL

CL ist die äquivalente externe Kapazität zwischen den Quarzanschlüssen bei der spezifizierten Betriebsfrequenz. Sie steht im Quarzdatenblatt. Sie ist weder der Wert jedes externen Kondensators noch die interne Parallelkapazität C0 des Quarzes. Verwenden Sie die angegebene CL statt gewohnheitsmäßig 18 pF oder 22 pF einzusetzen.

Aufgabe von C1 und C2

Jeder Kondensator verbindet einen Oszillatorpin mit der lokalen Masse. Zwischen den Quarzanschlüssen bilden sie über Masse eine Serienschaltung. Gleiche Werte vereinfachen die Auswahl; unterschiedliche Werte sind im Lastmodell ebenfalls möglich. Eine beabsichtigte Asymmetrie beeinflusst auch den aktiven Oszillator und muss die MCU-Vorgaben beachten.

Schaltbild eines Pierce-OszillatorsQuarz Y1 zwischen OSC_IN und OSC_OUT; C1 und C2 verbinden die jeweiligen Pins mit Masse. Angezeigt werden externe Kapazitäten. C1: 19 pF; C2: 19 pF.MikrocontrollerOSC_INOSC_OUTXINXOUTY116 MHzC1C219 pF19 pFGND
Quarz Y1 zwischen OSC_IN und OSC_OUT; C1 und C2 verbinden die jeweiligen Pins mit Masse. Angezeigt werden externe Kapazitäten.

PCB- und MCU-Parasiten

Im einfachen Modus ist Cstray der gesamte äquivalente Beitrag, nicht die arithmetische Summe der Pinkapazitäten. Der erweiterte Modus ordnet Cpin1 und Cpin2 den jeweiligen Zweigen zu und addiert nur den verbleibenden äquivalenten PCB-Beitrag Cpcb. Berücksichtigen Sie aktivierte interne Lastkapazitäten im richtigen Zweig. Keine Kapazität doppelt erfassen.

Herleitung der Formeln

Im Serienpfad gilt Q = C1 V1 = C2 V2 und V = V1 + V2. Daraus folgt 1/Cserie = 1/C1 + 1/C2. Anschließend wird die äquivalente Streukapazität addiert. Bei C1 = C2 = C ist der Serienbeitrag C/2, also C = 2(CL − Cstray). Im erweiterten Modell seien T = CL − Cpcb, A = Cpin1 und B = Cpin2. Ausmultiplizieren ergibt x² + (A + B − 2T)x + AB − T(A + B) = 0. Die unten gezeigte nicht negative Wurzel liefert den gemeinsamen externen Wert x. Unterhalb des Serienbeitrags der Pins allein existiert keine Lösung.

CL=C1C2C1+C2+CstrayC_L=\frac{C_1 C_2}{C_1+C_2}+C_{stray}
C1=C2=2(CL−Cstray)C_1=C_2=2(C_L-C_{stray})
CL=(x+A)(x+B)2x+A+B+CpcbC_L=\frac{(x+A)(x+B)}{2x+A+B}+C_{pcb}
x=T−A+B2+T2+(A−B)24x=T-\frac{A+B}{2}+\sqrt{T^2+\frac{(A-B)^2}{4}}

Rechenbeispiel: 12,5 pF Last

Mit CL = 12,5 pF und Cstray = 3 pF ergibt sich C1 = C2 = 19 pF. Der nächste E12-Wert 18 pF liefert CL = 9 + 3 = 12 pF: −0,5 pF (−4 %). E24 enthält die gleich weit entfernten Werte 18 und 20 pF; der Rechner wählt den kleineren. Mit 20 pF erhält man 13 pF: +0,5 pF (+4 %). Das sind Kapazitäts-, keine Frequenzfehler. Im erweiterten Modus ergeben Cpcb = 1 pF, beide Pins = 2 pF und externe 21 pF eine Last von (23/2) + 1 = 12,5 pF.

RTC-Beispiel: 32,768 kHz

Angenommen sind ein 32,768-kHz-Quarz mit CL = 7 pF und geschätzte Cstray = 2 pF. Beide externen Kondensatoren benötigen 10 pF, verfügbar in E12 und E24; die Last beträgt 5 + 2 = 7 pF. Diese Annahmen sind keine allgemeinen RTC-Werte. Prüfen Sie die internen Lastkapazitätseinstellungen der RTC vor dem Bestücken. Die Frequenz geht nicht in die Lastgleichung ein.

Frequenzverschiebung durch falsche Last

Bei einem Grundwellenquarz im Parallelbetrieb senkt eine größere CL die Frequenz im Allgemeinen in Richtung fs; eine kleinere CL erhöht sie. Die Näherung unten verwendet Bewegungskapazität Cm und Parallelkapazität C0. Ohne diese Parameter oder die Ziehempfindlichkeit lässt sich eine pF-Abweichung nicht zuverlässig in ppm umrechnen. Temperatur, Alterung und Anfangstoleranz verursachen zusätzliche Fehler.

fL≈fs(1+Cm2(C0+CL))f_L\approx f_s\left(1+\frac{C_m}{2(C_0+C_L)}\right)

PCB-Layout

Platzieren Sie Quarz und Lastkondensatoren nahe an den MCU-Pins. Halten Sie Leiterbahnen kurz und die Schleife kompakt. Führen Sie schnelle Takte, Schaltknoten und störende Busse nicht nahe an XIN und XOUT. Kontrollieren Sie Kopplungen zu Leiterbahnen und Kupferflächen und verwenden Sie kurze Massepfade. Beachten Sie die MCU-spezifischen Vorgaben zu Flächen, Guard-Strukturen und Sperrbereichen; zusätzliches Kupfer ändert die Parasiten.

Häufige Fehler

Setzen Sie nicht jeden Kondensator gleich CL. Vermeiden Sie ignorierte Pinkapazitäten, doppelte Parasiten und die Annahme, ein Normwert sei exakt passend. Verwenden Sie bei Bedarf stabile Dielektrika wie C0G/NP0 und berücksichtigen Sie Toleranzen. E12/E24 beschreiben Vorzugswerte, keine garantierte Verfügbarkeit oder Toleranz. Ein Tastkopf fügt Kapazität hinzu und kann die Schwingung beeinflussen.

Grenzen und Prüfung am Prototyp

Das Modell erfasst weder Verstärkung, Quarz-ESR, negativen Widerstand und Anschwingreserve noch Quarzbelastung, Nichtlinearität oder Bauteilstreuung. Passende CL bestätigt diese Eigenschaften nicht. Prüfen Sie Anschwingen und Quarzbelastung auf der realen Platine über den spezifizierten Spannungs- und Temperaturbereich anhand der Quarz- und MCU-Datenblätter. Planen Sie Reserven für Toleranzen und Fertigungsstreuung ein.

Berechnungsmodus auswählen

AnwendungEingabenPrüfung
Neuer symmetrischer EntwurfCL und äquivalente CstrayGleiche C1/C2 und E12/E24-Lastfehler
Vorhandene PlatineC1, C2, Cstray; optional Nenn-CLTatsächliche Last und Abweichung
Bekannte MCU-PinkapazitätenCL, Cpcb, Cpin1, Cpin2Externe Kapazität und physikalische Lösbarkeit

Technische FAQ

Warum etwa der doppelte CL-Wert je Kondensator?

Die beiden Kondensatoren wirken in Serie mit C/2. Vor dem Verdoppeln wird die äquivalente Streukapazität abgezogen.

Dürfen C1 und C2 unterschiedlich sein?

Ja. Der Modus für die tatsächliche Last berechnet den Serienbeitrag. Prüfen Sie vorher die MCU-Anforderungen an asymmetrische Netzwerke.

Unterscheidet sich die Formel für 16 MHz und 32,768 kHz?

Nein. Die Lastgleichung bleibt gleich. Quarzparameter sowie Anschwing- und Belastungsanforderungen können stark abweichen.

Was gilt bei CL unterhalb der Parasiten?

Positive externe Kapazitäten können die gewünschte Last nicht erreichen. Modell und Pins prüfen oder einen kompatiblen Quarz beziehungsweise Oszillatormodus wählen.

Garantiert passende CL das Anschwingen?

Nein. ESR, negativer Widerstand, Verstärkerbedingungen, Ansteuerung und Layout sind ebenfalls entscheidend.

Lässt sich aus der Prozentangabe ein ppm-Fehler ableiten?

Nein. Die Anzeige beschreibt eine Kapazitätsabweichung. Die Frequenzverschiebung erfordert quarzspezifische Parameter oder Messungen.

Offizielle technische Referenzen

Verwandte Werkzeuge und Leitfäden

Schätzwerte für den Entwurf. Passende CL garantiert weder Anschwingen noch Stabilität. ESR, negativen Widerstand, Quarzbelastung und Toleranzen prüfen.

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