Lastkapazität für einen Mikrocontroller-Quarz?

Ich weiß, dass es hier viele ähnliche Fragen gibt, aber ich habe viele davon gelesen und bin immer noch etwas verwirrt.

Ich bin ein Student, der mit einem Atmega32U4-Mikrocontroller ein Board ähnlich dem Arduino Pro Micro herstellt. Die Version von SparkFun zeigt die Kristallschaltung wie folgt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das obige Bild zeigt die Verwendung von 22pF-Kondensatoren, und ich versuche zu bestimmen, wie hoch die Lastkapazität des Kristalls sein sollte.

Ich fand die Formel für die Kondensatoren wie folgt: CL = (C1 * C2) / (C1 + C2) + Cs

Wenn ich annehme, dass die Streukapazität 5 pF beträgt (scheint eine gewisse Standardannahme zu sein) und 22 pF-Kondensatoren verwende, ergibt die obige Gleichung: CL = (22 * 22) / (22 + 22) + 5 = 16 pF

Wenn ich also 22pF-Kondensatoren in der Schaltung verwenden möchte, brauche ich einen Quarz mit einer Lastkapazität von 16pF, richtig? Bei Digi-Key sehe ich am nächsten 18pF.

Wenn die Verwendung eines ungefähren Werts für die Kristalllastkapazität (z. B. 18 pF, wenn 16 pF berechnet werden) nicht akzeptabel ist, könnte ich in die andere Richtung gehen, zuerst den Kristall auswählen und basierend auf seiner Lastkapazität die erforderlichen Kondensatorwerte berechnen.

Ich sehe zum Beispiel einen Kristall mit einer Lastkapazität von 8 pF, also kann ich mit der obigen Gleichung CL = 6 pF berechnen. Allerdings zeigt jeder einzelne Schaltplan, den ich für eine Arduino- oder Atmega-Schaltung sehe, dass 18pF-, 20pF- oder 22pF-Kondensatoren verwendet werden, was mich zu der Frage veranlasst, ob niedrigere Kondensatorwerte wie 6pF akzeptabel sind?

Antworten (1)

Es gibt viele Fehlinformationen darüber. Die für den Kristall angegebene Lastkapazität ist das, was aus Sicht des Kristalls über dem Kristall liegen sollte . Als erste Reaktion ist das die Reihenschaltung der beiden Kappen C2 und C4.

Allerdings ist dort viel mehr los und verschiedene (normalerweise ungültige) Annahmen sind in dieser gängigen Knie-Ruck-Formel enthalten. Anstelle von Faustregeln schauen, was wirklich los ist. Zwei Dinge, die die scheinbare kapazitive Last über dem Kristall erheblich verändern können, sind die Streukapazität und die Impedanz des Treibers, der das Eingangssignal zum Kristall treibt.

Überlegen Sie, wie diese Schaltung aussieht, wenn die Impedanz des Quarztreiberausgangs 0 ist (perfekte Spannungsquelle). Die Obergrenze für diesen Ausgang ist irrelevant, und die vom Quarz gesehene Last ist die volle Ausgangsobergrenze. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, für welchen Impedanzbereich dies relevant ist, bedenken Sie, dass die Impedanzgröße von 22 pF bei 16 MHz 450 Ω beträgt. Beträgt die Impedanz des Ausgangs, der den Quarz antreibt, 450 Ω oder weniger? Gut möglich ja. Dies wird jedoch selten angegeben, sodass Sie raten müssen.

Sie müssen auch erraten, was die Streukapazität sein könnte. Ich würde sagen, Ihre 5 pF-Zahl ist bei einem vernünftigen Layout angemessen. Wenn also der Quarztreiber eine unendliche Impedanz hat, beträgt die kapazitive Belastung des Quarzes 16 pF. Bei einer Impedanz von 0 beträgt die Belastung des Quarzes 27 pF. Die Realität liegt natürlich irgendwo dazwischen.

In Wirklichkeit sind für normale typische Mikrocontroller-Quarze irgendwo um 10 MHz (Faktor 2 ist nahe genug) 22 pF-Kappen auf beiden Seiten eine gute Wahl.

Der Punkt bei all dem ist, dass es viele Unbekannte gibt, die Sie nicht erklären können. Dies ist ein Ort, den Sie nicht bis ins kleinste Detail analysieren können. Wenn zwei 22-pF-Kappen Sie ins Stadion zu bringen scheinen, machen Sie einfach damit. So mache ich das, und ich hatte keine Probleme. Glücklicherweise haben Quarze eine sehr scharfe Frequenzkurve und ein Faktor von 2 in beide Richtungen von der angegebenen Lastkapazität ist normalerweise in Ordnung. Wenn Sie mehr als ein paar 10 Sekunden PPM benötigen, müssen Sie wahrscheinlich einige Tests mit sorgfältig kalibrierten Instrumenten durchführen.

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