Crystal Load Cap

Come si calcola?

Il quarzo oscilla alla frequenza nominale solo se «vede» la capacità di carico CL del datasheet: la serie dei due condensatori esterni più la parassita concentrata di PCB e pin. Con C1 = C2 vale CL = C/2 + C_stray, quindi C1 = C2 = 2·(CL − C_stray). Lo strumento calcola il valore ideale, lo arrotonda al valore E12/E24 più vicino e ricalcola il CL effettivo con l’errore.

Il quarzo oscilla alla frequenza nominale solo se "vede" la capacità di carico CL specificata dal datasheet. Quella capacità è la serie dei due condensatori esterni più la parassita di PCB e pin, per ramo:

$$\begin{array}{rcl}{C}_L& =& \frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}+C_{\text{stray}}\\ \text{con }{C}_1=C_2=C\Rightarrow C_L& =& \frac{C}{2}+C_{\text{stray}}\\ \Rightarrow C_1=C_2& =& 2(C_L-C_{\text{stray}})\end{array}$$

Lo strumento calcola il valore ideale, lo arrotonda al valore E12/E24 più vicino (i cap si comprano a valori standard) e ricalcola il CL effettivo con l’errore risultante.

Perché conta la capacità di carico?

Se la capacità di carico effettiva si discosta da CL, la frequenza del quarzo si sposta (pulling) di diversi ppm. È l’errore più comune e silenzioso: l’orologio sembra funzionare ma è fuori frequenza, e in un sistema di comunicazione l’accumulo di ppm rompe il timing. Un clock fuori frequenza può inoltre spostare le emissioni e far fallire i test EMC.

Se la capacità di carico effettiva si discosta da CL, la frequenza del quarzo si sposta (pulling) di diversi ppm. È l’errore più comune e silenzioso: l’orologio sembra funzionare ma è fuori frequenza, e in un sistema di comunicazione l’accumulo di ppm rompe il timing. Un clock fuori frequenza può inoltre spostare le emissioni e far fallire i test EMC.

Come stimare C_stray

La parassita per ramo somma due contributi: le piste PCB tra cap, quarzo e pin (tienile corte e simmetriche, tipicamente 1–3 pF) e la capacità del pin del package (OSC_IN/OSC_OUT, dal datasheet del MCU, tipicamente 1–3 pF). In assenza di dati una stima di 2–5 pF per ramo è ragionevole; il campo C_pin MCU permette di tenere separato il contributo del chip.

Cosa sono le serie E12 / E24?

I condensatori si producono solo a valori standard (serie E): l’E12 a 12 valori per decade (tolleranza 10%), l’E24 a 24 valori (5%). Lo strumento mostra il valore più vicino di entrambe; il CL effettivo e l’errore sono calcolati sull’E24, la più fine. A parità di distanza viene scelto il valore più basso.

I condensatori si producono solo a valori standard (serie E): E12 a 12 valori per decade (tolleranza 10%), E24 a 24 valori (5%). Lo strumento mostra il valore più vicino di entrambe; il CL effettivo e l’errore sono calcolati sull’E24, la più fine. A parità di distanza viene scelto il valore più basso.

Quali sono i limiti dello strumento?

Lo strumento assume i due condensatori uguali (C1 = C2), il caso standard di un Pierce a quarzo, e dimensiona la sola capacità di carico: non valuta drive level, ESR, resistenza negativa né margine di oscillazione. Il pulling di frequenza in ppm dipende dalla sensibilità del quarzo (ppm/pF) e non è stimato. Strumento dimostrativo: per il progetto reale valgono i datasheet di quarzo e MCU.

• Assume i due condensatori uguali (C1 = C2), il caso standard per un Pierce a quarzo.
• Dimensiona la sola capacità di carico: non valuta drive level, ESR, resistenza negativa né il margine di oscillazione (servono i parametri del quarzo e del package).
• Il pulling di frequenza in ppm dipende dalla sensibilità del quarzo (ppm/pF, dal datasheet) e qui non è stimato.
• Strumento dimostrativo: per il progetto reale dell’oscillatore vale il datasheet del quarzo e del MCU.

Riferimenti

• Application note generiche sul progetto di oscillatori al quarzo (Pierce) e sulla capacità di carico, pubblicate dai produttori di MCU e di quarzi.

Approfondisci: wiki Crystal load capacitance →