# Condensatori di carico di un quarzo > Cos'è la capacità di carico CL di un cristallo, perché servono i due condensatori esterni, come dimensionarli dalle capacità parassite e cosa succede quando il valore è sbagliato. Pubblicato: 2026-06-23 Aggiornato: 2026-08-25 Ambito: elettronica Riferimento normativo: Capacità di carico dell'oscillatore al quarzo Pagina: --- Un quarzo non oscilla "in aria": oscilla alla sua frequenza nominale solo quando ai suoi terminali vede una precisa capacità — la **capacità di carico** CL del datasheet. Quella capacità la fai tu, con due condensatori esterni. Sbagliarli è l'errore più comune e silenzioso del progetto di un clock: l'oscillatore parte lo stesso, ma fuori frequenza. Questo strumento li dimensiona; questa pagina spiega come e perché. ## Cos'è la capacità di carico La **capacità di carico** (*load capacitance*, CL) è la capacità che il cristallo deve "sentire" tra i suoi due piedini per risuonare alla frequenza scritta sull'etichetta. È un parametro del quarzo, non un valore libero: un quarzo da 12 pF e uno da 18 pF, a parità di frequenza nominale, richiedono reti di carico diverse. Valori tipici stanno tra **8 e 20 pF**. Quella capacità non è interna al quarzo: la fornisci dall'esterno, con due condensatori (uno per ramo, verso massa) nella tipica topologia Pierce usata da quasi tutti i microcontrollori. ## Perché due condensatori, e la formula I due condensatori esterni **C1** e **C2** sono, dal punto di vista del quarzo, in **serie** (il loro nodo comune è la massa AC). A questa serie si aggiunge la capacità parassita di piste e pin. La capacità di carico vista dal quarzo è quindi: $$ C_L = \dfrac{C_1\,C_2}{C_1+C_2} + C_{\text{stray}} $$ Nel caso usuale di condensatori **uguali** (C1 = C2 = C) la serie vale C/2, e la formula si semplifica: $$ C_L = \dfrac{C}{2} + C_{\text{stray}} \quad\Rightarrow\quad C_1 = C_2 = 2\,(C_L - C_{\text{stray}}) $$ Esempio: un quarzo con CL = 12 pF su un layout con C_stray ≈ 3 pF (valore concentrato) richiede C1 = C2 = 2·(12 − 3) = **18 pF**. Se ignori la parassita e metti 24 pF "perché 12·2", la capacità di carico effettiva diventa 24/2 + 3 = 15 pF invece di 12: il quarzo lavora con +3 pF di carico e la frequenza si sposta. ### Valori tipici (C_stray ≈ 3 pF concentrati) | CL del quarzo | C1 = C2 = 2·(CL − C_stray) | |---|---| | 8 pF | 10 pF | | 10 pF | 14 pF | | 12 pF | 18 pF | | 18 pF | 30 pF | | 20 pF | 34 pF | La tabella vale solo per quel valore di parassita: cambia il layout (o il package del MCU) e i numeri si spostano. È il motivo per cui non esiste un “cap universale da 22 pF” — il valore giusto dipende dal CL del tuo quarzo e dal tuo PCB. ## Come stimare C_stray La **capacità parassita** somma due contributi: - **Piste del PCB** tra condensatore, quarzo e pin del chip: tienile corte e simmetriche, sotto il quarzo metti un guard ring a massa. Tipicamente **1–3 pF**. - **Pin del package** (OSC_IN / OSC_OUT): è un dato spesso indicato nel datasheet del MCU come capacità del pin dell'oscillatore. Tipicamente **1–3 pF**. In assenza di dati precisi, una stima di **2–5 pF** è ragionevole per un layout curato. Lo strumento ha un campo separato per il contributo del pin del MCU, se vuoi tenerlo distinto da quello del PCB: i due si sommano. ### Attenzione: concentrata, non per ramo C'è un tranello di semantica che vale qualche pF, cioè decine di ppm. Nella formula delle application note *C_stray* è una parassita **concentrata ai capi del quarzo**, sommata una volta sola al CL. Una parassita davvero **per ramo verso massa** — la capacità di una singola pista, quella che si misura o si simula — sta invece in *parallelo* a C1 e a C2, e allora la serie diventa: $$ \dfrac{(C + C_b)(C + C_b)}{2(C + C_b)} = \dfrac{C}{2} + \dfrac{C_b}{2} $$ cioè contribuisce per **metà**. Se misuri 3 pF su ciascuna pista e li digiti come C_stray, chiedi al calcolo 3 pF di correzione dove ne servirebbero 1,5: i condensatori risultano più piccoli di 3 pF e il CL effettivo più basso di 1,5 pF, che a 11 ppm/pF sono 16 ppm nella direzione sbagliata. La regola per non sbagliare: nel campo va (*accoppiamento pin-a-pin*) + (*parassita per ramo*)/2, e i 2–5 pF tipici delle app note sono già espressi in questa forma. ## Quanto costa sbagliare: il pulling, calcolato Se la capacità di carico effettiva si discosta da CL, la frequenza del quarzo si sposta — il fenomeno si chiama **pulling**. La sensibilità in ppm/pF è spesso tabulata nel datasheet, ma non serve fidarsi: si **ricava** dai due parametri del circuito equivalente che ogni datasheet riporta, la capacità statica C₀ (qualche pF, in parallelo al ramo motional) e la capacità *motional* C_m (qualche femtofarad). La frequenza di risonanza con carico e la sua derivata sono: $$ f_L = f_s\left[1 + \dfrac{C_m}{2\,(C_0 + C_L)}\right] \qquad\Longrightarrow\qquad S = \dfrac{\mathrm{d}f/f}{\mathrm{d}C_L} = -\dfrac{C_m}{2\,(C_0 + C_L)^2} $$ | C_m (motional) | C₀ (statica) | CL 8 pF | CL 10 pF | CL 12 pF | CL 16 pF | CL 20 pF | |---|---|---|---|---|---|---| | 3 fF | 2 pF | 15,00 | 10,42 | 7,65 | 4,63 | 3,10 | | 5 fF | 3 pF | 20,66 | 14,79 | 11,11 | 6,93 | 4,73 | | 8 fF | 4 pF | 27,78 | 20,41 | 15,63 | 10,00 | 6,94 | | 15 fF | 5 pF | 44,38 | 33,33 | 25,95 | 17,01 | 12,00 | | 20 fF | 7 pF | 44,44 | 34,60 | 27,70 | 18,90 | 13,72 | Due letture. La prima: la sensibilità sta fra 3 e 45 ppm/pF, quindi **un pF di errore costa già più della tolleranza tipica di un quarzo da orologio** (±20 ppm). La seconda, meno ovvia: la sensibilità va come 1/(C₀ + CL)², cioè **un quarzo a CL basso è molto più nervoso**. Fra CL = 8 e CL = 20 pF il fattore è circa 4: lo stesso errore di layout, sullo stesso PCB, sposta la frequenza quattro volte tanto. È il motivo per cui i quarzi a 6–8 pF chiedono un layout molto più disciplinato di quelli a 18–20 pF, e non il contrario come suggerirebbe l'intuizione che «meno capacità = meno problemi». ### La gerarchia degli errori Messi in fila, i contributi all'errore sul CL non hanno affatto lo stesso peso — e quello su cui si tende a ragionare (l'arrotondamento E-series) non è il primo: | Sorgente di errore | Entità tipica | Effetto sul CL | ppm a 11 ppm/pF | |---|---|---|---| | stima della parassita sbagliata di 1 pF | ±1 pF | ±1,00 pF | ±11,1 | | tolleranza del condensatore ±5 % (18 pF) | ±0,90 pF | ±0,45 pF | ±5,0 | | arrotondamento E24 (caso peggiore in tabella) | −1,5 pF | −0,75 pF | +8,3 | | tolleranza del condensatore ±2 % (18 pF) | ±0,36 pF | ±0,18 pF | ±2,0 | | coefficiente di temperatura di un C0G | ±0,06 pF | ±0,03 pF | ±0,3 | Il primo posto va alla **stima della parassita**, che è anche l'unica voce non misurabile a posteriori senza strumenti. Il che ribalta la priorità pratica: prima si cura il layout (piste corte, simmetriche, guard ring a massa, niente altro sotto il quarzo) e si cerca la capacità di pin sul datasheet del MCU; **poi** ha senso discutere se prendere il 18 pF o il 20 pF, e solo alla fine se prenderlo al 2 % o al 5 %. ### E in tempo, quanto fa Per un RTC a 32,768 kHz — il caso in cui il pulling si vede a occhio nudo — i ppm si traducono così: | Errore | s/giorno | s/mese | min/anno | |---|---|---|---| | 1 ppm | 0,09 | 2,6 | 0,5 | | 5 ppm | 0,43 | 13,0 | 2,6 | | 10 ppm | 0,86 | 25,9 | 5,3 | | 20 ppm | 1,73 | 51,8 | 10,5 | | 50 ppm | 4,32 | 129,6 | 26,3 | | 100 ppm | 8,64 | 259,2 | 52,6 | Un solo pF di errore di carico su un quarzo da 11 ppm/pF vale quindi circa un secondo al giorno: un orologio che perde mezzo minuto al mese senza che nulla sia «rotto». Le conseguenze: - **Timing che deriva.** Un RTC che sbaglia di 20 ppm accumula circa 1,7 secondi al giorno. In una UART o in un bus l'errore di clock si somma a quello del baud e può far perdere i frame. - **Compatibilità.** Protocolli con tolleranze strette sul clock (USB, Ethernet, CAN) possono uscire dalla finestra ammessa. - **EMC.** Un clock fuori frequenza sposta le righe spettrali delle emissioni; in un test di compatibilità elettromagnetica una riga che si muove può cadere dove prima passava, o viceversa. Un oscillatore mal caricato è un modo silenzioso di far fallire una pre-compliance. ## Scelta dei valori E-series I condensatori esistono solo a **valori standard** (serie E): la **E12** ha 12 valori per decade (tolleranza 10%), la **E24** ne ha 24 (5%). Il valore ideale calcolato quasi mai coincide con uno standard, quindi si sceglie il più vicino e si verifica l'errore che ne risulta sul CL effettivo. Lo strumento mostra sia il valore E12 sia l'E24 più vicini, e calcola il CL effettivo sull'E24 — la serie più fine, quella che useresti per un cap di precisione. | CL | C ideale | E12 | E24 | CL effettivo (E24) | errore | ppm | |---|---|---|---|---|---|---| | 8 pF | 10,0 | 10 | 10 | 8,00 pF | 0,00 % | 0,0 | | 10 pF | 14,0 | 15 | 13 | 9,50 pF | −5,00 % | +7,4 | | 12 pF | 18,0 | 18 | 18 | 12,00 pF | 0,00 % | 0,0 | | 16 pF | 26,0 | 27 | 27 | 16,50 pF | +3,13 % | −3,5 | | 18 pF | 30,0 | 27 | 30 | 18,00 pF | 0,00 % | 0,0 | | 20 pF | 34,0 | 33 | 33 | 19,50 pF | −2,50 % | +2,4 | Un caso vale una nota: CL = 10 pF chiede 14 pF, che **non esiste in E24** (fra 13 e 15, equidistante). Il valore scelto è 13 pF e il CL effettivo scende a 9,5 pF, −5 %: la riga peggiore della tabella. Con 15 pF si andrebbe a 10,5 pF, +5 %, simmetrico — e in quel caso la scelta si fa sul segno, non sul modulo, perché è preferibile stare *sopra* il CL nominale (carico maggiore → frequenza più bassa, margine di oscillazione più comodo) piuttosto che sotto. Sull'ordine di grandezza, però, l'arrotondamento non è il problema: il peggio della tabella vale 8 ppm, meno della tolleranza del condensatore stesso. ### Quando il valore calcolato non serve a niente C'è una zona in cui la formula dà un numero positivo che non si può usare. Sotto i **4 pF** l'incertezza tipica sulla parassita (±1 pF) vale un quarto del valore: il CL effettivo dipende più dal layout che dal componente, e il dimensionamento non si ripete da una scheda all'altra. Lo strumento lo segnala senza nascondere il risultato — non è un limite di specifica, è una soglia di riproducibilità. | CL del quarzo | stray 3 pF | stray 5 pF | stray 6 pF | |---|---|---|---| | 6 pF | 6,0 pF | 2,0 ⚠ pF | impossibile | | 8 pF | 10,0 pF | 6,0 pF | 4,0 pF | | 10 pF | 14,0 pF | 10,0 pF | 8,0 pF | | 12 pF | 18,0 pF | 14,0 pF | 12,0 pF | | 16 pF | 26,0 pF | 22,0 pF | 20,0 pF | La colonna a 6 pF di parassita è la ragione per cui un quarzo con CL = 6 pF va scelto *insieme* al layout e non dopo: su un PCB mediocre non esiste alcun condensatore che lo faccia lavorare in frequenza. ## Limiti - Il modello assume i due condensatori **uguali** (C1 = C2), il caso standard del Pierce a quarzo. - Dimensiona la sola **capacità di carico**: non valuta il *drive level*, l'ESR del quarzo, la resistenza negativa dell'oscillatore né il **margine di oscillazione** — verifiche che richiedono i parametri del cristallo e talvolta una misura. Vale però sapere che le due cose sono legate: i condensatori di carico stanno nel percorso di reazione, quindi alzarli **abbassa** il guadagno d'anello e stringe il margine di oscillazione, mentre la potenza dissipata nel quarzo cresce col quadrato di CL, P = ESR·(2πf·C_L·V_rms)²: | ESR | CL | V rms sul quarzo | Potenza dissipata | |---|---|---|---| | 30 Ω | 12 pF | 0,5 V | 2,7 µW | | 30 Ω | 12 pF | 1,0 V | 10,9 µW | | 80 Ω | 12 pF | 1,0 V | 29,1 µW | | 50 Ω | 20 pF | 1,2 V | 72,8 µW | Con un massimo tipico di 100 µW per un SMD piccolo, la riga da 72,8 µW è già vicina al limite: sovraccaricare un quarzo non lo fa solo andare fuori frequenza, lo invecchia. Il criterio classico sul margine di oscillazione — resistenza negativa dell'oscillatore almeno **5 volte** l'ESR massimo del quarzo — va verificato a parte, e su quarzi ad ESR alto (32,768 kHz, tipicamente decine di kΩ) è spesso il vincolo che decide, non il CL. - Il pulling in ppm non è calcolato dallo strumento, perché richiede C₀ e C_m del quarzo che l'utente dovrebbe inserire: la sezione sulla sensibilità mostra come ricavarlo a mano dal datasheet. - Il **drive level** e il **margine di oscillazione** non sono valutati: sono verifiche sull'amplificatore, non sulla rete di carico. ## Riferimenti - **Application note dei produttori** — sia i produttori di microcontrollori sia quelli di quarzi pubblicano note applicative sul progetto dell'oscillatore Pierce, sulla scelta della capacità di carico e sul calcolo del margine di oscillazione. Sono il riferimento operativo per il caso reale. - **Strumento correlato** — il [calcolatore di condensatori di carico](/tools/crystal-load-cap/) mette in pratica questa pagina: inserisci CL e capacità parassite e ottieni i due cap, il valore E-series e l'errore.