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Mythen rund um die Lastkapazität – wie wählt man die richtigen Kondensatoren

Posted: 3rd August 2020

Die Lastkapazität in der Oszillatorschaltung ist einer der wichtigsten Werte um die Genauigkeit des Quarzes sicherzustellen. Nichtsdestotrotz ist sie gleichzeitig eine der größten Fehlerquellen während des Designs der Oszillatorschaltung. Hierbei gibt es einige falschen Annahmen, welche wir heute klarstellen wollen. Zusätzlich möchten wir Ihnen zeigen, wie Sie die richtigen Kondensatoren für Ihre Schaltung auswählen.

Die meisten Quarze werden in einer Pierce Oszillatorschaltung verwendet (Abbildung 1). Hierfür werden zwei externe Kondensatoren benötigt. Nun stellt sich die Frage: Wie werden die richtigen Werte für diese beiden Kondensatoren gewählt?

Abbildung 1: Pierce Oszillatorschaltung
Abbildung 1: Pierce Oszillatorschaltung

Die erste irrtümliche Annahme ist, dass die im Quarzdatenblatt angegebene Lastkapazität auch die Kapazität der zwei Kondensatoren angibt. Dies würde bedeuten, wenn die Lastkapazität des Quarzes 20 pF beträgt, müssten auch die beiden Kondensatoren 20 pF haben. Dies ist allerdings nicht richtig und würde zu einer Frequenzverschiebung führen.

Eine weitere falsche Annahmen ist, dass die im Quarzdatenblatt angegebene Lastkapazität lediglich der Summe der beiden Kondensatoren entspricht. Nimmt man das gleiche Beispiel mit einem 20 pF Quarz, so würde das für die beiden Kondensatoren jeweils 10 pF bedeuten. Leider ist auch dies nicht korrekt.

Natürlich könnten Sie bisher Glück mit Ihrer Schaltung gehabt haben und alles hat richtig funktioniert. In den meisten Fällen wird der Quarz auch trotz falscher Lastkapazität einwandfrei schwingen - allerdings mit einer Abweichung in der Frequenz. Da beide erwähnten Annahmen falsch sind, möchten wir Ihnen natürlich nun auch den richtigen Ansatz erklären.

Für die Lastkapazität der Schaltung müssen alle Kapazitäten berücksichtig werden. Dies sind nicht nur die beiden Kondensatoren, sondern auch die Eingangs- und Ausgangskapazitäten des Mikrocontrollers und die gesamte Streukapazität. Das alles zusammen ergibt die Lastkapazität entsprechend dem Quarzdatenblatt.

Die größte Herausforderung hierbei ist, dass es unmöglich ist die Streukapazität auf der Leiterplatte festzustellen, ohne eine Schaltung aufgebaut zu haben. Deshalb kann während des Leiterplattendesigns auch nur eine Annahme zur Streukapazität getroffen werden. Nach Fertigstellung des Designs muss dann geprüft werden, ob sich die Frequenz innerhalb der Toleranz befindet.

Nach mehreren Jahrzehnten im Markt der Frequenzprodukte hat IQD die Erfahrung gemacht, dass sich die Streukapazität typischerweise im Bereich von 3 pF bis 7 pF bewegt. Mit diesen ungefähren Werten im Hinterkopf ist es ein leichtes anhand der folgenden Formel (Formel 1) die Werte für die zwei externen Kondensatoren zu bestimmen: 

Formel 1: Berechnung der Lastkapazität
Formel 1: Berechnung der Lastkapazität

Es empfiehlt sich für Ca und Cb gleiche oder zumindest nahe beieinander liegende Werte zu wählen. Dies verhindert Frequenzverschiebungen und weitere Störungen. Sollten Ca und Cb nicht gleich sein, so sollte Ca kleiner als Cb sein.

Da es sich bei der Streukapazität anfänglich um einen Schätzwert handelt, ist es wirklich wichtig nach Fertigstellung der Schaltung die Frequenz durch eine Messung zu verifizieren.

Zusätzlich hilft Ihnen unser Application Support Team gerne bei weiteren Fragen rund um die Lastkapazität und dem Design der Oszillatorschaltung.

Im nächsten Bog werden wir uns dann genauer anschauen, welchen Einfluss es auf die Frequenz hat, wenn die falsche Lastkapazität in der Schaltung gewählt wurde.